專利名稱：低功率溫度補償晶體振蕩器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及晶體振蕩器的溫度補償電路，特別是低功率溫度補償晶體振蕩器。
帶有一個確定頻率的晶體的振蕩器被廣泛地用于提供一個穩(wěn)定的頻率輸出。但是，這些振蕩器使用的晶體具有溫度敏感性，因此，通常需要溫度補償的裝置以保持晶體穩(wěn)定的輸出頻率。
目前使用的一種穩(wěn)定晶體振蕩器頻率的方法是將振蕩器置入一個爐中，使晶體保持恒溫。這需要很大的空間并消耗大量的能源。另一種方法包括產生一個溫度致變電壓并將其加到一個可變電壓電容器(voltagevariable capacitor)(例如變容二極管)以便控制晶體振蕩器的共振頻率。
在許多振蕩器中，一種AT切割晶體(AT cut crystal)被廣泛地使用，它通常具有三次方的頻率-溫度特性函數，并在大約攝氏28度時有一個拐點。各個AT切割晶體的頻率-溫度特性函數根據晶體制造方法的不同而變化。因此，為了準確地補償一個使用AT切割晶體的振蕩器，加載到變容二極管兩端的電壓應隨溫度變化，這種變化應實質性地與使用的專門的晶體的變化相似。
包括特別是蜂窩移動電話和雙向無線電話在內的現(xiàn)代通訊系統(tǒng)需要更小、更輕、工作時間(或電池壽命)更長的產品，一種便攜式無線通訊產品的體積和重量主要決定于其電源或電池，為了減小電池的體積和重量，電路需要在低電壓下運行，例如在大約2.7至3.3伏之間，使得總電流消耗最小。
小型溫度補償晶體振蕩器(TCXOs)普遍使用頻率-溫度補償電路，該電路產生一個隨溫度變化的電壓，驅動一個電壓致變電抗元件，以便獲得所需的頻率-溫度特性。需要在變化的電壓下運行TCXO，同時保持所需的溫度補償特性。
傳統(tǒng)上，用于補償的穩(wěn)壓電壓源(regulated supply voltage)是通過使用一個簡單的電路直接從電源獲得的。因此，如果電源在4.5至5伏之間，則需要使用一個約4伏左右的穩(wěn)壓器。當使用減低的電壓時，例如3伏的電池，對TCXO進行正確的補償將是非常困難的，或者說幾乎不可能，因為電路需要具有在一定范圍內調節(jié)頻率-溫度特性的能力，而可調范圍決定于可用于補償的電源電壓(例如0-4伏)。
因此，使用低壓電源，如3伏電池，驅動TCXO的溫度補償是對現(xiàn)有技術的一種改進，同時，通過使大部分電路在減低的電源電壓下工作從而使實質上整個補償電路的電流消耗最小也是一種改進。
此外，并非所有通訊系統(tǒng)都可改為低電壓源，因此，TCXO設計應具有在高電壓源下工作且不需要額外電流的能力。規(guī)模經濟，特別是那些開發(fā)出用戶集成電路的地方，要求一個單一設計能用于在一個擴展的電壓范圍內運行，或者能在3伏或5伏電池下運行。
下述方法也應看作對現(xiàn)有技術的改進把一些元件，如一個可編程的DC至DC轉換器電路用于一個TCXO，通過將電壓提高到一個必需的電平以便驅動一個可變電抗裝置而又使電流的增加最小，通過將電壓只加到如電平轉移器和可變電抗元件這樣必需的電路以便控制TCXO，提供在擴展的電壓范圍內運行的能力。
提供一種低能耗和低電流的TCXO，它能通過調節(jié)適應大多數晶體振蕩器，而且可以制造成集成電路(IC)形式，這也是對現(xiàn)有技術的一種改進。


圖1是根據本發(fā)明的一個低功率溫度補償晶體振蕩器的框圖。
圖2是根據本發(fā)明，如圖1所示的可編程DC至DC轉換器電路的更詳細的框圖。
圖3是根據本發(fā)明的低功率溫度補償晶體振蕩器的另一實施例。
圖4是晶體的頻率-電抗特性。
圖5是與溫度補償晶體振蕩器相關的頻率-溫度函數曲線。
在圖1是一個低功率溫度補償晶體振蕩器(TCXO)10。從其最簡單的形式看，TCXO10包括如下結構。第一，它包括一個帶有晶體的晶體振蕩器電路12，輸入端16和具有預定頻率的輸出端18。其次，電壓控制電抗元件(VCRE)30，在圖1中是第30號單元，用于向晶體振蕩器電路12的輸入端16提供一個可變電抗信號以便有選擇地在預定溫度范圍內調節(jié)在端18的輸出頻率，如圖5所示。VCRE30有第一端和第二端32和34。在一個最佳實施例中，VCRE30是一個變容二極管，第一端32是正極，第二端34是負極。第三，一個溫度補償網絡(TCN)50被用來測量與晶體接近的溫度，并向電壓控制電抗元件30提供一個控制信號，以便在一個預定的溫度范圍內按照需要的范圍調整輸出頻率(在端18)。如圖1所示的是一個可編程DC至DC轉換器電路(PDCCN)60，它包括一個包含參考電壓的輸出端62，該輸出端至少與電壓控制電抗元件30和溫度補償網絡50之一相連接。
本發(fā)明(the instant invention)使能量和電流消耗最小，從而延長了多種通訊應用設備的電池的壽命(如蜂窩移動電話、無線電話及其類似設備)，同時，可制造成集成電路形式。
特別一提的是，TCXO10中的PDCCN60和電平轉移器54(levelshifter)提供了一個合適的電壓范圍(例如從0到4伏)以控制VCRE30，并提供(1)晶體振蕩器電路12的晶體的適當的溫度補償；(2)合適(高)電壓給某些電路，如電平轉移器54(它通過VCRE3對晶體進行溫度補償)，在允許大部分電路在減低的電壓源下運行的同時，使TCXO10的電流消耗最?。?3)使用更小的電源，如3伏電池，以便減小體積，并有助于對蜂窩移動電話和雙向無線電話等新的通訊系統(tǒng)的小型化。
TCN50可包括一個溫度補償電路52和連線56與其串聯(lián)的電平轉移器54。線58為電平轉移器54提供電壓源。電平轉移器54提供一個放大的控制信號到線16和圖1中的第一端32和圖3中的第二端34。
電平轉移器54根據VCRE30的需要將連線56處的低壓補償信號轉換成更高的電壓，這使得溫度補償電路52在一個電壓更低的、能效更高的電壓下(例如2.5伏)運行，同時電平轉移器54的輸出值可在0至4伏之間變化，以進行適當的溫度補償。
如圖5中曲線146所示，TCN50提供一個與溫度相關的電壓給VCRE30用來對晶體振蕩器電路12的晶體的頻率-溫度特性進行補償。此電壓可通過適當的算法與例如AT切割晶體的頻率-溫度特性的變化相匹配。
特別一提的是，在一個最佳實施例中，晶體的特性可以通過如下的方法確定或測量將TCXO10置于一個爐中，在一個預先確定的溫度范圍內改變溫度(例如從攝氏-35度到+85度)，這樣可以獲得一個溫度補償(TC)曲線，如圖5中的曲線142。其次，在TC曲線142的基礎上通過算法推導出反相曲線144。曲線144的信息被儲存起來(以模擬形式或最好是在EEPROM中的數字形式)，并被用來對晶體振蕩器電路12中的晶體進行溫度補償，以便在一個寬的溫度范圍內提供一個預定的輸出頻率，如圖5中的146單元所示。
圖1中的TCXO10采取與電源66連接，最好是3伏電池。電源66與低壓穩(wěn)壓器80通過線82連接。穩(wěn)壓器80的輸出端84與TCN50連接。由于電源66的溫度系數、老化、線路和負載都可引起電源變化，TCN50需要一個完全獨立于電源變化的電壓源來驅動，從而使輸送到VCRE30的信號完全穩(wěn)定，不受上述變化的影響。因此，盡管端82可能有不希望的電壓變化和脈沖，低壓穩(wěn)壓器80提供一個完全穩(wěn)定的直流電壓給TCN50。
根據圖2，單元100給出了PDCCN60(圖1中)的細節(jié)。PDCCN100通常包括一個邏輯電路(或存儲)102和開關電路104，通過線106連接。在一個實施例中，邏輯電路102被預先設計好以便適當地控制開關104，這些可在工廠里為PDCCN100設計預定的電源電壓時做好。
開關電路104可包括通和斷兩個狀態(tài)。在通的狀態(tài)下，充電電路(charge pump circuit)110在電源66下工作，產生一個較高的輸出電壓(通過充電電路110)，該電壓經過線116連到輸出穩(wěn)壓器112。在斷的狀態(tài)下，電源66通過線117從開關電路107直接連接到輸出穩(wěn)壓器112。
在電源電壓足夠高的情況下，沒有必要使用充電電路110，此時充電電路處于關閉狀態(tài)以降低電流消耗，這樣做是有利的，因為充電電路消耗電流。更進一步看，開關電路104可包括一對P溝道MOSFET，在通的狀態(tài)下將電源66與充電電路110連接，在斷的狀態(tài)下直接與穩(wěn)壓器112連接。
在一個最佳實施例中，當使用3伏電源時，開關電路104在工廠中在EEPROM預置成經過一個預定啟動時間后為通的狀態(tài)，在啟動時(約10微秒或更短)為斷的狀態(tài)。例如，當使用低壓電池如3伏電池時，充電電路110在啟動時關閉，隨后，在穩(wěn)定狀態(tài)(啟動后)下開通。
當PDCCN60和晶體振蕩器電路12集成在一個IC的同一襯底上時，有利于用一個校準過的振蕩器(squared oscillator)為PDCCN60計時，如從線18發(fā)出而又與該線絕緣的信號，以防止PDCCN60通過襯底耦合產生的開關瞬變，也防止了與振蕩器輸出混合在振蕩器輸出端產生不需要的虛假頻率。
進一步從細節(jié)看，當第一次對TXCO加電時(啟動時)，由于幾微秒后在振蕩器輸出端18才能產生振蕩，可能出現(xiàn)一個問題。在這最初的幾微秒內(啟動)，需要對穩(wěn)壓器112的輸出端(線118)提供一個正電位，以便通過VCRE30提供一個反偏壓以產生足夠高的電抗，使晶體振蕩電路12啟動。
為解決這一問題，在剛加電時，開關電路104用來旁路充電電路110，直接將電源66與穩(wěn)壓器112的輸出端118(圖1中的線62)連接起來。經過幾個微秒(或當穩(wěn)態(tài)獲得后)且振蕩器輸出端18可獲得振蕩后，開關電路104被置于通的狀態(tài)，此時，充電電路110可直接從電源66驅動，在端116產生一個較高的輸出電壓，經過單元112(在端62)穩(wěn)壓后，通過線58為電平轉移器54提供一個合適的高電壓，見圖1和圖2。
根據圖2，由于充電電路110在端116的輸出值能幾乎達到端114的輸入電壓值的兩倍，其輸出變化量也同樣是輸入變化量的大約兩倍。為了進行有效的溫度補償，穩(wěn)壓器112用來穩(wěn)壓并提供一個穩(wěn)定的直流輸出到電平轉移器54。
穩(wěn)壓器112可以是如何一種常規(guī)的穩(wěn)壓器，在一個實施例中包括一個簡單的串聯(lián)單元(series pass element)，由一個差分放大器和輸出基準來控制。
在一個實施例中，邏輯電路102可包括一條線108，線108與輸入端64連接起來，以便動態(tài)地對開關電路104進行適宜的控制。
由于電源66可隨時間發(fā)生大范圍的變化，邏輯電路102可用來監(jiān)視端64的電源，并根據從端64測得的電壓值或信號動態(tài)地使開關處于通或斷的狀態(tài)。這就可以在可獲得較高電壓源時，如不需要，關閉充電電路110，動態(tài)地使電流消耗最小。充電電路110一般在較高電壓下消耗更多的電流，如4伏左右，因此，在不需要時將其關閉是有利的。
例如在動態(tài)控制時，當充電電路開通時，可以在端64的電壓低于某確定閾值時用來有選擇地提高直流電壓。
在一個實施例中，充電電路110是一個電壓倍壓器(voltagedoubler)，只要滿足與TXCO10電路匹配的條件，可以用任何常規(guī)的手段實現(xiàn)。常規(guī)的電壓倍壓器通常包括下列結構第一，一個電容器跨接于兩個輸入端；其次，這些連接被切斷，電容被充電的負極與正輸入端連接，同時，電容的被充電的正極與帶有集電電容(charge holding capacitor)的輸出端連接。這些過程連續(xù)地反復重復，導致輸出值達到輸入電壓值的大約兩倍。電容開關的速度由適當的時鐘如單元120或輸入頻率源控制，時鐘單元120可提供調整的波型(squared waveform)、端18的隔絕和緩沖。
在一個最佳實施例中，圖2中的端18與圖1中的晶體振蕩器電路12的輸出端相連接。
在一個實施例中，充電電路110能將端64的可以至少是2.7伏的電壓提高到端116的5伏，穩(wěn)壓器112將其略微降低到約4伏，以幫助減小端118的不希望的電壓變化。
TXCO10可設計為動態(tài)變化的，或在工廠設計PDCCN100時預設。特別是預設PDCCN100被調整成使電流和能量消耗最小。這當然可以幫助延長電池的壽命，這是許多通訊系統(tǒng)的主要先進性之所在。
在圖1中，VCRE30的第二端34通過電容36交流接地，直流以PDCCN60的輸出端62做基準。這種配置在VCRE30與其它電路集成在同一P襯底時尤其有利，因為其它電路能將噪音耦合到VCRE30，并降低振蕩器輸出的相位噪聲。在一個最佳實施例中，VCRE30的負極是一個擴散到共同P襯底中的N井(N-well)，而VCRE30的正極是將P+型摻雜物質注入N-井構成的。如圖1所示，通過使VCRE30的負極(第二端34)經電容36交流接地，其有利之處是VCRE30可以與同一襯底上的其它電路基本上隔離并不被耦合。
TCN50可包括一個經低壓穩(wěn)壓器80與電源連接的溫度補償電路52。
為保持能耗最低，需要使用低壓穩(wěn)壓器。經過一個低壓穩(wěn)壓器80運行溫度補償網絡50中較高電流消耗的電路特別是溫度補償電路52以及其它高電流消耗的電路，可以減低PDCCN60的電流源的要求，從而降低整個能耗。
低壓穩(wěn)壓器80使電源66因溫度變化產生的且不能補償的低壓變化最小。如電源66是電池，就會成為這些變化的一個基本原因。因為當電池放電時，輸出電壓下降。這個(放電)電壓可改變溫度補償電路的輸出，造成TCXO頻率-溫度特性的下降。
電平轉移器54可包括一個與VCRE30的第一或第二端，即32或34連接的輸出端。
如前所述，圖1中的電平轉移器54包括與VCRE30的第一端32連接的輸出，并經過線16與晶體振蕩器電路12連接。電平轉移器54用來放大溫度補償電路52的低電壓輸出并產生VCRE30需要的較高的電壓。溫度補償電路在較低的且能效較高的電壓下運行并從電平轉移器54提供一個較高的電壓(經放大的)用于對晶體進行溫度補償。但是，電平轉移器54在啟動時使用可用的最高電壓，隨后，處于穩(wěn)定狀態(tài)。電平轉移器54需要在線58獲得較高的電壓以便為VCRE30提供足夠的電壓變化，在晶體振蕩器電路12對晶體進行溫度補償。
在圖3所示的實施例中，電平轉移器54的輸出與VCRE30的第二端34連接。同樣在圖3中，第一端32接地，PDCCN60通過線58和線62與電平轉移器54直接連接。
在圖3所示實施例中，將VCRE30接地可能更有益，用圖3中的電路，去掉電容36即可。圖3的結構在下述情況下有利或VCRE30是一個分立的元件，或VCRE30集成在同一N襯底上且P井擴散到襯底中以形成VCRE30的正極。VCRE30的負極是將N+型摻雜物質注入P-井構成的。通過端32接地，如圖3所示，VCRE30可以與襯底上的其它電路基本上隔絕并不被耦合。
在圖4是一條典型的AT切割晶體的頻率-電抗曲線130，特別是，該曲線是根據巴克豪森振蕩標準做為晶體頻率的函數的晶體電抗。晶體在與振蕩器的剩余部(remaider)表現(xiàn)的電抗(包括VCRE30產生的電抗)大小相等，方向相反的電抗下工作。在大多數晶體振蕩器中，晶體做為一個電感工作，由振蕩器的剩余部(remaider)提供容抗。特別是，晶體典型地在第一條曲線132的弧形區(qū)工作，處于在串接(SERIES)和反共振anti-resonance之間。第二曲線134是為了表現(xiàn)完整性。因此，一個典型的晶體應在631歐姆、約16.8兆赫的范圍內工作，如圖4所示。
圖5是頻率-溫度曲線140。曲線140包括一個三階非補償的貝希曼曲線142，是典型AT切割晶體具有的。第二曲線144包括貝希曼曲線142的反函數，可用來調整TCXO的頻率輸出。在一個實施例中，一個用于TCXO10中的AT切割晶體具有如圖5所示的貝希曼曲線142。圖5中的橫軸包括從攝氏負35度到85度的濕度范圍。線146可以是在這個溫度范圍內的所需的溫度補償頻率。在這一實施例中，規(guī)格為2ppm。
雖然已對本發(fā)明的各種實施例進行了描述，但是，應該認為熟悉現(xiàn)有技術的人可能在不脫離本發(fā)明的新穎性和目的的情況下對前述實施例進行修改、替換、重新安排和組合。
權利要求
1.一個低功率溫度補償晶體振蕩器，包括一個帶有晶體和預定頻率的輸入和輸出的晶體振蕩器電路；一個電壓控制的電抗單元為晶體振蕩器電路的輸入提供可變電抗，用以有選擇地在一個預定的溫度范圍內調整輸出頻率，具有第一和第二端；一個溫度補償電路用以測量與晶體接近的溫度并向電壓控制電抗單元提供一個控制信號，以便在預定的溫度范圍內在需要的范圍調整頻率輸出；一個可編程DC至DC轉換器電路，包括一個輸出，該輸出包含參考電壓，至少與電壓控制電抗單元和溫度補償電路之一相連接。
2.如權利要求書1中所述低功率溫度補償晶體振蕩器，其特征在于一個可編程DC至DC轉換器電路包括一個充電電路以便有選擇地在低于一個確定的閾值時升高直流電壓。
3.如權利要求書1中所述低功率溫度補償晶體振蕩器，其特征在于一個可編程DC至DC轉換器電路包括一個邏輯電路，一個與邏輯電路相連的充電電路以便有選擇地在電壓低于一個確定的閾值時升高直流電壓，一個穩(wěn)壓器使輸出電壓變化最小。
4.如權利要求書1中所述低功率溫度補償晶體振蕩器，其特征在于一個可編程DC至DC轉換器電路包括一個開關電路，在充電電路可接受輸入電壓并產生一個較高的輸出電壓，該輸出電壓連接到輸出穩(wěn)壓器時，該開關電路處于通的狀態(tài)；在至少電壓源或電壓源產生的較低電壓之一被直接連接到輸出穩(wěn)壓器時，開關電路處于斷的狀態(tài)。
5.如權利要求書4中所述低功率溫度補償晶體振蕩器，其特征在于一個可編程DC至DC轉換器電路包括一個與開關電路相連接的可編程邏輯電路，以便動態(tài)地在通或斷的狀態(tài)之間轉換，邏輯電路被設計成如下形式在通的狀態(tài)下，開關電路將電源加載到充電電路；在斷的狀態(tài)下，開關電路將電源直接連接到穩(wěn)壓器。
6.如權利要求書1中所述低功率溫度補償晶體振蕩器，其特征在于電壓控制電抗單元的第二端通過一個電容交流接地，以可編程DC至DC轉換器電路的輸出為直流基準。
7.權利要求書1中所述低功率溫度補償晶體振蕩器，其特征在于電壓控制電抗單元的第一端接地，而第二端與電平轉移器和晶體振蕩器電路連接。
8.一個低功率溫度補償晶體振蕩器，包括一個帶有晶體和預定頻率的輸入和輸出的晶體振蕩器電路；一個電壓控制的電抗單元為晶體振蕩器電路的輸入提供可變電抗，用以有選擇地在一個預定的溫度范圍內調整輸出頻率，具有第一和第二端；一個溫度補償電路用以測量與晶體接近的溫度并向電壓控制電抗單元提供一個控制信號，以便在預定的溫度范圍內在需要的范圍調整頻率輸出；一個可編程DC至DC轉換器電路包一個輸出，該輸出包含參考電壓，至少與電壓控制電抗單元和溫度補償電路之一相連接；其特征在于可編程DC至DC轉換器電路包括一個開關電路，當充電電路可接受輸入電壓并產生一個較高的輸出電壓，該輸出電壓連接到輸出穩(wěn)壓器時，開關電路處于通的狀態(tài)；當至少電壓源或電壓源產生的較低電壓之一被直接連接到輸出穩(wěn)壓器時，開關電路處于斷的狀態(tài)。
9.權利要求書8中所述低功率溫度補償晶體振蕩器，其特征在于溫度補償電路包括一個溫度補償電路通過一個低壓穩(wěn)壓器與電源連接；一個電平轉移器，其輸出與電壓控制電抗單元的第一或第二端相連，該電平轉移器有一條輸出線與電壓控制電抗單元的第一端和晶體振蕩器電路相連。
10.權利要求書8中所述低功率溫度補償晶體振蕩器，其特征在于電壓控制電抗單元的第一端接地，而第二端與電平轉移器和晶體振蕩器電路相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一個低功率溫度補償晶體振蕩器(10)。該低功率溫度補償晶體振蕩器(10)具有一個晶體振蕩器電路(12)，一個電壓控制電抗單元(30)，一個溫度補償電路(50)和一個可編程DC至DC轉換器電路(60)；該可編程DC至DC轉換器電路有一個與電壓控制電抗單元(30)或溫度補償電路(50)連接，或與二者都連接的輸出端(62)。大多數這類結構都應用在集成電路中并有利于使能耗和電流消耗最小。
文檔編號H03L1/02GK1139500SQ95191369
公開日1997年1月1日 申請日期1995年9月8日 優(yōu)先權日1994年11月29日
發(fā)明者勞倫茨.E.肯奈爾, 蒂莫斯.J.考林斯, 安索尼.F.科勒, 丹尼斯.F.馬文, 米切爾.L.布西曼 申請人:摩托羅拉公司