專利名稱：晶體振蕩器電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及晶體振蕩器(crystal oscillator)電路，其主要應用為TCXO (溫度補償Xtal振蕩器)，并且，其在寬溫度范圍中輸出穩(wěn)定的振蕩頻率， 特征在于低功耗，并且需要極好的相位噪聲特性。
背景技術：
要求蜂窩式電話傳遞高話音質量，并且，作為TCXO (溫度補償Xtal振 蕩器)，提供了在寬溫度范圍中的士0.5至土2.5ppm或以下的非常高的頻率穩(wěn)定 性、以及低噪聲相位噪聲特性和較低的功耗。將描述相關技術的CMOS反相器型晶體振蕩器電路。圖5是相關技術中 的CMOS反相器型晶體振蕩器電路的示例電路配置。在圖5中，CMOS反相器型晶體振蕩爭電路4包括晶體振動器(crystal vibrator) 41、以及反饋電阻器42，反饋電阻器42的兩端分別連接到CMOS 反相器40的輸入和輸出。CMOS反相器型振蕩器電路4的源極電壓連接到不 具有溫度特性的電源電路(下文中稱為無溫度特性的電源電路)30的輸出部 分。無溫度特性的電源電路30包括放大器2、反饋電阻器10和電阻器11。 放大器2的輸出端V2連接到電阻器10的一端。反饋電阻器10的另一端連 接到放大器2的負輸入端V3、以及電阻器ll的一端，并且，電阻器ll的另 一端接地。放大器2的正輸入端Vl連接到電壓源1,電壓源l使用帶隙調(diào)節(jié) 器(band gap regulator)等而抵抗電源VCC的變化，并顯示出較小的溫度變 化。這樣，圖4中示出的相關技術的晶體振蕩器電路包括電壓源1、無溫度 特性的電源電路30、以及CMOS反相器型振蕩器電路4。將描述由此配置的CMOS反相器型晶體振蕩器電路的操作。 在圖5中，將具有小溫度特性變化的穩(wěn)定的電壓從電壓源提供到無溫度 特性的電源電路30。使用通過反饋電阻器10和電阻器11而被放大的無溫度 特性的電源電路30的輸出V2,作為CMOS反相器型振蕩器電路4的電源電壓。這樣，基于抵抗電壓VCC、并顯示出較小的溫度變化的電源電路30的 輸出用于CMOS反相器型振蕩器電路4的電源電壓的假定，已探索出TCXO 所需的較高的頻率穩(wěn)定性(例如，參照JP-A-11-097932)。盡管使用相關技術中的無溫度特性的電源電路30的CMOS反相器型晶 體振蕩器電路抵抗電壓VCC的變化，但振蕩器電路4中的CMOS反相器40 具有有著-2mv廠C的溫度特性的閾值電壓VT，并且，由此，在振蕩器電路4 的振蕩特性(如電流消耗和負阻抗)中出現(xiàn)較大的溫度變化。在閾值電壓VT 溫度特性的頂端，閾值電壓VT自身的改變產(chǎn)生振蕩特性的很大變化。即使在低噪聲設計中提供了抵抗電壓VCC的變化、并顯示出較小的溫度 變化的電壓源1時，也通過電源電路30而對電壓源1進行放大，并且，增大 了電壓噪聲。另一個問題在于，電壓噪聲隨著在放大器2的反饋電阻器10中 生成的熱噪聲而惡化。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明解決了上面的相關技術的問題。本發(fā)明的一個目的在于，提供這 樣的晶體振蕩器電路，其能夠顯著改善由包括CMOS反相器的振蕩器電路的 閾值電壓VT中的溫度變化引起的電流消耗和負阻抗中的變化。本發(fā)明的另 一個目的在于，提供包括CMOS反相器的晶體振蕩器電路，其能夠顯著改善 由晶體振蕩器電路的閾值電壓VT中的變化引起的特性變化、并確保低噪聲 設計。根據(jù)本發(fā)明的晶體振蕩器電路的特征在于包括CMOS反相器型振蕩器 電路，其包括晶體振動器；以及電源電路，用于向CMOS反相器型振蕩器電 路提供具有補償CMOS反相器型振蕩器電路的閾值電壓的溫度特性的溫度特 性的輸出電壓。通過此配置，包括了用于向CMOS反相器型振蕩器電路提供具有補償電源電路。這使得有可能顯著改善由CMOS反相器型振蕩器電路的閾值電壓 的溫度特性引起的振蕩特性變化。根據(jù)本發(fā)明的晶體振蕩器電路的特征在于，該電源電路包括用于向該電 源電路提供參考電壓的電壓源。 根據(jù)本發(fā)明的晶體振蕩器電路的特征在于，該電壓源包括帶隙調(diào)節(jié)器。根據(jù)本發(fā)明的晶體振蕩器電路的特征在于包括調(diào)節(jié)器(regulator)電路， 用于調(diào)節(jié)該電源電路的輸出電壓。通過以上配置，有可能通過使用調(diào)節(jié)器電路，取決于閾值電壓VT的變 化，而選擇最優(yōu)輸出電壓，由此，有可能顯著改善由CMOS反相器型振蕩器 電路的閾值電壓的變化引起的振蕩特性的變化。根據(jù)本發(fā)明的晶體振蕩器電路的特征在于，該電源電路包括放大器， 用于在正輸入端接收參考電壓，并向CMOS反相器型振蕩器電路提供輸出電 壓；第一二極管，其陽極連接到該放大器的輸出端，而其陰極連接到該放大 器的負輸入端；以及第一電阻器，其連接在該放大器的負輸入端和地之間。端的輸出部分中使用第一二極管。這顯著減小了電源電路輸出電壓噪聲，并 且，由此，改善了晶體振蕩器電路特性之中的對于增大話音質量來說尤其重 要的相位噪聲特性。根據(jù)本發(fā)明的晶體振蕩器電路的特征在于，該電源電路包括放大器， 用于在正輸入端接收參考電壓，并向CMOS反相器型振蕩器電路提供輸出電 壓；第二二極管，其陽極連接到該放大器的輸出端；第二電阻器，其連接在 第二二極管的陰極和該放大器的負輸入端之間；第三電阻器，其連接在該放 大器的負輸入端和地之間；以及調(diào)節(jié)器電路，用于通過調(diào)節(jié)第二電阻器和第 三電阻器中的至少任 一 個的阻抗值、而調(diào)節(jié)電源電路的輸出電壓。根據(jù)本發(fā)明的晶體振蕩器電路的特征在于，該電源電路包括放大器， 用于在正輸入端接收參考電壓，并向CMOS反相器型振蕩器電路提供輸出電 壓；第二電阻器，其一端連接到該放大器的輸出端；第二二極管，其陽極連 接到第二電阻器的另一端，而其陰極連接到該放大器的負輸入端；第三電阻 器，其連接在該放大器的負輸入端和地之間；以及調(diào)節(jié)器電路，用于通過調(diào) 節(jié)第二電阻器和第三電阻器中的至少任一個的阻抗值、而調(diào)節(jié)電源電路的輸 出電壓。根據(jù)本發(fā)明的晶體振蕩器電路的特征在于，第 一 或第二調(diào)節(jié)器電路包括 能夠寫入和讀取數(shù)據(jù)的存儲裝置。根據(jù)本發(fā)明的晶體振蕩器電路包括用于向CMOS反相器型振蕩器電路提 供具有補償CMOS反相器型振蕩器電路的閾值電壓的溫度特性的溫度特性的 輸出電壓的電源電路，這使得有可能顯著改善由CMOS反相器型振蕩器電路的閾值電壓的溫度特性引起的振蕩特性變化。通過根據(jù)本發(fā)明的晶體振蕩器電路，有可能通過調(diào)節(jié)具有溫度特性的電 源電路的輸出電壓，而校正闊值電壓的變化。此外，通過根據(jù)本發(fā)明的晶體 振蕩器電路，有可能通過在電源電路的輸出部分中使用二極管，而減小電源 電路的輸出電壓噪聲，并且，由此減小晶體振蕩器電路特性之中尤其重要的相位噪聲。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例1的CMOS反相器型晶體振蕩器電路的框圖。 圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例2的CMOS反相器型晶體振蕩器電路的框圖。 圖3 (a)是示出實施例1中的晶體振蕩器電路的電流消耗的溫度特性示 例的說明圖。圖3 (b)是示出實施例2中的晶體振蕩器電路的電流消耗的溫度特性示 例的說明圖。圖4(a)是根據(jù)本發(fā)明的串聯(lián)提供了二極管的CMOS反相器型晶體振蕩 器電路的框圖。圖4 ( b )是根據(jù)本發(fā)明的串聯(lián)提供了電源電路的CMOS反相器型晶體振 蕩器電路的框圖。圖5是相關技術的CMOS反相器型晶體振蕩器電路的框圖。
具體實施方式
(實施例1 )將通過參照附圖來描述本發(fā)明的第一實施例。圖l示出了根據(jù)第一實施 例的CMOS反相器型晶體振蕩器電路的配置。圖1中示出的CMOS反相器型 晶體振蕩器電路包括參考電壓源1、有溫度特性的電源電路(下文中稱為具 有溫度特性的電源電路)31、以及CMOS反相器型振蕩器電路4。在圖1中， CMOS反相器型振蕩器電路4包括晶體振動器41和反饋電阻器42,反饋 電阻器42的兩端分別連接到CMOS反相器40的輸入和輸出；以及輸出級中 的緩沖放大器(未示出)。CMOS反相器型振蕩器電路4的電源電壓連接到具 有溫度特性的電源電路31的輸出端V2。
具有溫度特性的電源電路31包括放大器2、 二極管20、以及電阻器ll。 放大器2是具有為1的放大因子的緩沖器。二極管20具有補償CMOS反相 器40的溫度特性的溫度特性。在具有溫度特性的電源電路31中，放大器2 的輸出端V2連接到二極管20的陽極，二極管20的陰極連接到放大器2的 負輸入端V3、以及電阻器ll的一端，并且，電阻器ll的另一端接地。放大 器2的正輸入端VI連接到穩(wěn)定的電壓源1,電壓源1抵抗電源VCC的變化。 電壓源1使用具有較小的溫度特性變化且抵抗電壓源VCC的變化的例如帶隙 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定的參考電壓源。圖1中示出的根據(jù)第一實施例的晶體振蕩器電 路具有這樣的配置。將描述具有這樣的配置的根據(jù)第 一 實施例的晶體振蕩器電路的操作。在圖1中，將具有小溫度特性變化的穩(wěn)定的參考電壓作為VI從電壓源 提供到具有溫度特性的電源電路31的輸入端。使用通過二極管20和電阻器 11而被緩沖的具有溫度特性的電源電路31的輸出V2,作為CMOS反相器型 振蕩器電路4的電源電壓。在大信號輸入特性中，通過線性區(qū)域來表示CMOS反相器型振蕩器電路 4中的CMOS反相器40的電學特性。通常，通過以下表達式來表示漏極電流 (下文中稱為Id)、柵極-源極電壓(下文中稱為Vgs)、以及閾值電壓(下文 中稱為Vt)之間的關系Id=K'W/L[(Vgs-Vt)A2-0.5*VdsA2][l+Wds] ( 1 )在表達式(1 )中，K'=)inCOX-(對于n型MOS )、叩COX-(對于p型 MOS),其中，COX-: ;f冊極氧化膜電容，電子的遷移率，W:空穴的遷 移率，W: MOS的柵極寬度，L: MOS的柵極長度，以及X:溝道長度改變 因子。對于表達式(1 ),應理解，在柵極-源極電壓Vgs和閾值電壓Vt之間的 差(Vgs-Vt)的值恒定的情況下，漏極電流Id恒定，即，CMOS反相器型振 蕩器電路4的電流消耗恒定。閾值電壓VT通常具有-2mv廠C的溫度特性，使得柵極-源極電壓Vgs也需 要同等的溫度特性。實現(xiàn)其的最有效的方法在于，向CMOS反相器型振蕩器 電路4的電源電壓提供等價于閾值電壓VT的溫度特性的溫度特性。在第一 實施例中，這通過在具有溫度特性的電源電路31的輸出部分中添加具有-2mv/ 。C的溫度特性的二極管20而成為可能。 圖3 (a)是示出根據(jù)實施例1中的振蕩器電路的電流消耗的溫度變化系 數(shù)的圖。在圖3中，直線110示出了實施例1中的溫度特性的例子。為了比 較，將相關技術中的溫度特性的例子示出為虛線110。根據(jù)圖3(a),應理解， 盡管在相關技術中、振蕩器電路的電流消耗已隨著溫度變化而在實質上改變， 但在實施例1中，抑制了溫度特性的變化，并且，無論溫度如何，均將電流 消耗保持為幾乎恒定。通過利用二極管20的-2mv/。C的溫度特性來補償振蕩器電路4中的 CMOS反相器40的閾值電壓VT的-2mv廠C的溫度特性，有可能顯著減小振 蕩器4的電流和負阻抗中的溫度特性變化，這在相關技術的系統(tǒng)中是困難的 途徑。使用二極管20的具有溫度特性的電源電路31是具有為1的放大因子的 簡單的緩沖器。假定對應端子上的電壓V1 、 V2和V3的電壓噪聲分別為NV1 、 NV2和NV3，則所述電壓噪聲相等NV1=NV2=NV3 (2)盡管在相關技術中、電壓噪聲增大了在放大器2中對電壓放大的量那么 多，但在實施例l中，不放大電壓噪聲。這顯著減小了電壓噪聲。盡管在相關技術中、來自反饋電阻器10 (參照圖4)的熱噪聲是使電壓 噪聲惡化的因素，但與相關技術相比，用二極管20替代了電阻器10,并且， 減d、并優(yōu)化了流過二極管20的電流，以減'J、散粒噪聲(shot noise ),從而減 小了來自放大器2的噪聲。如上面提到的，根據(jù)第一實施例，有可能減小諸如振蕩器電路4的電流 消耗和負阻抗的溫度特性的變化，這在相關技術的系統(tǒng)中是困難的途徑。此外，顯著地減小了來自電壓電路的電壓噪聲，由此，減小了晶體振蕩器電路 特性之中尤其重要的相位噪聲。 (實施例2 )將通過參照附圖來描述本發(fā)明的第二實施例。圖2示出了根據(jù)第二實施 例的CMOS反相器型晶體振蕩器電路的配置。在下面的描述中，對與已經(jīng)描 述的部件相對應的部件賦予相同的附圖標記，并省略詳細描述。在第二實施例中，CMOS反相器型振蕩器電路4的電源電壓連接到具有 溫度特性的電源電路31的輸出端V2。具有溫度特性的電源電路31包括放大 器2、 二極管20、可變電阻器12、以及可變電阻器13。
放大器2的輸出端V2連接到二極管20的陽極。二極管20的陰極連接 到可變電阻器13的一端。可變電阻器13的另一端連接到放大器2的負輸入 端V3和可變電阻器12的一端?？勺冸娮杵?2的另一端接地。放大器2的正輸入端VI連接到抵抗電壓VCC中的變化的穩(wěn)定的電壓源 1?？勺冸娮杵?2、 13連接到調(diào)節(jié)器電路(PROM) 5,其用于通過改變可變 電阻器12、 13的阻抗值而調(diào)節(jié)具有溫度特性的電源電路32的輸出電壓。圖 2中示出的根據(jù)第二實施例的晶體振蕩器電路具有這樣的配置。將描述具有這樣的配置的根據(jù)第二實施例的晶體振蕩器電路的操作。與實施例1中描述的具有溫度特性的電源電路31相同，根據(jù)實施例2的 具有溫度特性的電源電路32具有減小振蕩器電路4的閾值電壓VT的溫度特 性的變化的效果、以及減小具有溫度特性的電源電路32的電壓噪聲的效果。 此外，在實施例2中，調(diào)節(jié)器電路(PROM) 5可通過改變可變電阻器12或 13的阻抗值，而任意調(diào)節(jié)輸出電壓V2。由此，有可能根據(jù)振蕩器4中的CMOS 反相器40的閾值電壓VT的變化，而選擇最優(yōu)的輸出電壓V2。由此，在關系表達式(1 )中，柵極-源極電壓和閾值電壓之間的差(Vgs-Vt) 保持恒定，并且，漏極電流Id恒定。換句話說，CMOS反相器型振蕩器電路 4的電流消耗保持恒定，并且，有可能校正諸如負阻抗以及電流消耗的振蕩 特性的變化。圖3 (b)是示出與實施例2中的振蕩器電路中的閾值電壓VT的變化有 關的電流消耗的變化系數(shù)的圖。在圖3 (b)中，虛線110至112示出了相關技術中的VT的變化中的溫 度特性。直線IIO、 111和112分別示出了針對于閾值電壓Vt (typ)、閾值電 壓Vt ( max)和閾值電壓Vt ( min)的電流消耗變化系數(shù)。直線110至102示出了在實施例2中，在根據(jù)閾值電壓VT的變化而調(diào) 節(jié)了振蕩器電路的電壓電源之后得到的溫度特性的例子。直線100、 101和 102分別示出了針對于閾值電壓Vt (typ)、閾值電壓Vt (max)和閾值電壓 Vt ( min )的電流消耗變化系數(shù)。根據(jù)圖3(b),應理解，盡管在相關技術中、振蕩器電路的電流消耗已 隨著溫度變化和閾值電壓VT的變化而在實質上改變，但在實施例2中，盡 管是在闊值電壓VT的變化的情況下，仍抑制了溫度特性的變化，并且，無 論溫度如何，均將電流消耗保持為幾乎恒定。
如上面提到的，根據(jù)實施例2,與相關技術中的振蕩器電路的閾值電壓VT的變化所引起的振蕩特性的大變化不同，根據(jù)振蕩器電路的閾值電壓VT 的變化而選擇輸出電壓V2,由此，允許校正晶體振蕩器電路的電流消耗的變 化、以及例如負阻抗的振蕩特性。盡管在具有溫度特性的電源電路31中使用了可變電阻器12和13,但可 變電阻器12或13可為固定電阻器。在所述兩者均為可變電阻器的情況下， 可分別利用電流可變調(diào)節(jié)和電壓可變調(diào)節(jié)來改變可變電阻器12和13的阻抗 值，以便得到最佳地減小電壓噪聲并最佳地調(diào)節(jié)輸出電壓的解決方案。用于通過使用調(diào)節(jié)器電路(PROM) 5來調(diào)節(jié)可變電阻器12、 13的阻抗 值的方法包括用于串聯(lián)或并聯(lián)連接多個電阻器、并通過利用開關而直接使 各個電阻器短路/開路而改變阻抗值的方法；以及用于通過在位于電阻器體 (例如，電阻器控制旋鈕)的中點的多個抽頭開關(tap switch)之間進行選 ^r而調(diào)節(jié)阻抗值的方法。通過覆寫調(diào)節(jié)器電路(PROM) 5的數(shù)據(jù)，而進行這 些開關的控制。如上所述，利用根據(jù)此實施例的晶體振蕩器電路，通過使用包括具有等 價于振蕩器電路的CMOS閾值電壓VT的溫度特性的溫度特性的二極管的、 具有溫度特性的電源電路的輸出，而解決了由于CMOS反相器型振蕩器電路 的CMOS閾值電壓VT的溫度特性或變化而造成的諸如電流消耗和負阻抗的 特性的變化的問題。由此，有可能補償CMOS反相器型振蕩器電路的溫度特 性變化。此外，有可能通過調(diào)節(jié)具有溫度特性的電源電路的輸出電壓，而校正振 蕩器電路的CMOS閾值電壓VT的變化。通過在電源電路的輸出部分中使用 二極管，可在設計中減小電源電路的輸出電壓噪聲，由此，減小晶體振蕩器 電路特性之中的尤其重要的相位噪聲。另外，盡管在第一和第二實施例中，CMOS反相器的閾值電壓VT是 -2mv〃C ，但在CMOS反相器的閾值電壓VT是-4mv/。C的情況下，在第 一 實 施例中，有可能如圖4(a)所示通過串聯(lián)提供各自具有-2mv〃C的溫度特性的 兩個二極管20、或如圖4(b)所示通過串聯(lián)提供各自具有-2mv/。C的溫度特 性的兩個電源電路31，而提供具有等價于閾值電壓VT的溫度特性的-4mv/ 。C的溫度特性的CMOS反相器型振蕩器電路的電源電壓。同樣，自不必說， 可將此改變應用于第二實施例。
此外，盡管在上述實施例中、二極管用于補償CMOS反相器型振蕩器電 路的闊值電壓的溫度特性，但可使用其它元件，如具有補償CMOS反相器型 振蕩器電路的閾值電壓的溫度特性的溫度特性、而無噪聲特性的寄存器 (register )。此外，可在具有溫度特性的電源電路和CMOS反相器型振蕩器電路之間 提供緩沖器電路。本發(fā)明具有這樣的效果通過使用具有二極管的溫度特性的電源電路作 為振蕩器電路的電源，而減小CMOS反相器型振蕩器電路的溫度特性變化， 其中，該二極管具有等價于CMOS反相器型振蕩器電路的CMOS閾值電壓 VT的溫度特性的溫度特性。本發(fā)明具有TCXO (溫度補償Xtal振蕩器)的 主要應用，并且，其對于在寬溫度范圍中輸出穩(wěn)定的振蕩頻率、特征在于低 功耗、且需要極好的相位噪聲特性的晶體振蕩器電路來說是有用的。
權利要求
1、一種晶體振蕩器電路，包括CMOS反相器型振蕩器電路，其包括晶體振動器；以及電源電路，用于向所述CMOS反相器型振蕩器電路提供具有補償所述CMOS反相器型振蕩器電路的閾值電壓的溫度特性的溫度特性的輸出電壓。
2、 如權利要求1所述的晶體振蕩器電路，其中，所述電源電路包括用 于向所述該電源電路提供參考電壓的電壓源。
3、 如權利要求2所述的晶體振蕩器電路，其中，所述電壓源包括帶隙 調(diào)節(jié)器。
4、 如權利要求1所述的晶體振蕩器電路，還包括 調(diào)節(jié)器電路，用于調(diào)節(jié)所述電源電路的輸出電壓。
5、 如權利要求2所述的晶體振蕩器電路， 其中，所述電源電路包括放大器，用于在正輸入端接收所述參考電壓，并向所述CMOS反相器 型振蕩器電路提供輸出電壓；第一二極管，其陽極連接到所述放大器的輸出端，而其陰極連接到所述 放大器的負輸入端；以及第一電阻器，其連接在所述放大器的負輸入端和地之間。
6、 如權利要求2所述的晶體振蕩器電路， 其中，所述電源電路包括放大器，用于在正輸入端接收所述參考電壓，并向所述CMOS反相器 型振蕩器電路提供輸出電壓；第二二極管，其陽極連接到所述放大器的輸出端；第二電阻器，其連接在所述第二二極管的陰極和所述放大器的負輸入端 之間；第三電阻器，其連接在所述放大器的負輸入端和地之間；以及 調(diào)節(jié)器電路，用于通過調(diào)節(jié)所述第二電阻器和所述第三電阻器中的至少 任一個的阻抗值、而調(diào)節(jié)所述電源電路的輸出電壓。
7、 如權利要求2所述的晶體振蕩器電路， 其中，所述電源電路包括放大器，用于在正輸入端接收所述參考電壓，并向所述CMOS反相器型振蕩器電路提供輸出電壓；第二電阻器，其一端連接到所述放大器的輸出端；第二二極管，其陽極連接到所述第二電阻器的另一端，而其陰極連接到 所述放大器的負輸入端；第三電阻器，其連接在所述放大器的負輸入端和地之間；以及調(diào)節(jié)器電路，用于通過調(diào)節(jié)所述第二電阻器和所述第三電阻器中的至少 任一個的阻抗值、而調(diào)節(jié)所述電源電路的輸出電壓。
8、如權利要求4、 6或7所述的晶體振蕩器電路，其特征在于，調(diào)節(jié)器 電路包括能夠寫入和讀取數(shù)據(jù)的存儲裝置。
全文摘要
具有溫度特性的電源電路31的輸出部分連接到包括晶體振動器的CMOS反相器型振蕩器電路4的電源電壓。具有溫度特性的電源電路31包括放大器2、二極管20、以及電阻器11。放大器2的輸出端V2連接到二極管20的陽極。二極管20的陰極連接到放大器2的負輸入端V3、以及電阻器11的一端，并且，電阻器11的另一端接地。放大器2的正輸入端V1連接到具有小VCC變化的電壓源1。
文檔編號H03B5/32GK101166012SQ200710180859
公開日2008年4月23日 申請日期2007年10月17日 優(yōu)先權日2006年10月17日
發(fā)明者酒井基樹 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社