專利名稱：聲表面波頻率器件的溫度補償系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于聲表面波的頻率控制器件，尤其涉及對聲表面波頻率器件進
行溫度補償的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
頻率控制(包括頻率產生)器件是大多數電子系統(tǒng)中必不可缺的元件。頻率控 制器件通常由振蕩器構成，其中最常見的是使用石英晶體構成的晶體振蕩器。振蕩器中有 的用外加電壓對晶振的頻率進行控制，組成壓控晶體振蕩器(VCXO， Voltage Compensated Crystal Oscillator);有的帶有溫度補償，組成溫度補償晶體振蕩器(TCXO， Temperature Compensated CrystalOscillator)。 溫度補償晶體振蕩器雖然溫度穩(wěn)定性較好，但是生產成本較高。另外，我們對市場 上現有的幾種高端振蕩器進行了比較反臺晶體振蕩器的輸出頻率較低，在100 250MHz 之間，且制造成本較高；鎖相環(huán)振蕩器的相位噪聲較大，且耗電量較高；聲表面波的其他性 能都較好，但是溫度穩(wěn)定性較差， 一般在+/-100ppm的水平。 聲表面波振蕩器是一種高穩(wěn)定、低噪聲振蕩源，以SAW(SurfaceAcoustic Wave)器
件為頻率控制元件。聲表面波是在壓電晶體表面?zhèn)鞑サ臋C械波。采用微電子技術制作的聲
表面波器件體積小重量輕，易于規(guī)模生產。聲表面波(SAW)振蕩器作為頻率源器件，比泛音
晶體諧振器具有更低的抖動和相位噪聲，在高頻電路應用中具有獨特的優(yōu)勢，應用領域十
分廣闊。聲表面波振蕩器頻率范圍為250 1200MHz，是當今用于高頻振蕩器中最佳的材料
選擇，然而其較差的溫度穩(wěn)定性，限制了它被廣泛的使用于高頻晶振之中。例如，大部分客
戶的工作溫度要求是從-4(TC到+85°C ，但SAW振蕩器只能支持-2(TC到+70°C 。 目前還沒有一個可以同時擁有高頻率、高穩(wěn)定性(< +/-20TOm)和低相位噪聲的
頻率器件及其實現方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種聲表面波頻率器件
的溫度補償系統(tǒng)和方法，提高SAW器件的溫度穩(wěn)定性，就可以得到同時具備高頻率、高穩(wěn)定
性(< +/_2(^。!11)、低相位噪聲、體積小、低成本的特點的聲表面波頻率器件。 本發(fā)明的技術方案是本發(fā)明提出了一種聲表面波頻率器件的溫度補償系統(tǒng)，包
括溫度傳感器、溫度補償電路，以及和聲表面波材料相連的振蕩器核，所述振蕩器核包括可
調電容庫，含有至少一個可變電容，所述溫度補償電路的存儲器中存儲有查閱表，包含控制
信號_溫度關系信息或頻率信號_溫度關系信息。
本發(fā)明的聲表面波頻率器件的溫度補償系統(tǒng)的更詳細的技術方案是 所述溫度補償電路可以是模擬溫度補償電路或者是數字溫度補償電路，或者是含
有微處理器的溫度補償子系統(tǒng)；當是數字溫度補償電路時，在數字溫度補償電路和溫度傳
感器之間，連接有模擬數字轉換器，將溫度傳感器輸出的模擬信號轉換為數字信號，然后輸出給數字溫度補償電路；數字溫度補償電路輸出的控制信號直接控制可調電容庫中的可變 電容，或者通過數字模擬轉換器將數字信號轉換為模擬信號以后，再控制可變電容。
進一步地，所述模擬溫度補償電路連接一個濾波器后再和可調電容庫相連。
所述可變電容庫中的可變電容可以接受數字信號或模擬信號、電流信號或電壓信 號的控制。 所述系統(tǒng)可以利用集成電路技術，制作在同一塊芯片或一塊以上的芯片之中。 本發(fā)明還提出了一種聲表面波頻率器件的溫度補償方法，包括如下步驟 步驟Sl :通過溫度傳感器將測得的頻率器件的溫度信息傳遞給溫度補償電路； 步驟S2 :系統(tǒng)查閱存儲于溫度補償電路中的查閱表或其他與溫度相應的信息，產
生控制信號，用來控制振蕩器核的可調電容庫中至少一個可變電容的電容值； 步驟S3 :可變電容調節(jié)頻率器件的頻率，使頻率穩(wěn)定在標稱頻率。
本發(fā)明的聲表面波頻率器件的溫度補償方法的更詳細的技術方案是 所述溫度補償電路中存有查閱表，采用預失真法得到控制信號值，首先在振蕩器
使用溫度范圍內的不同溫度下，通過溫度補償電路輸出控制信號，改變可調電容庫中可變
電容的電容值，使輸出頻率穩(wěn)定在標稱頻率，然后分別記錄各溫度時的控制信號值，得到控
制信號_溫度關系信息，并存儲在查閱表中。 所述溫度補償電路存有查閱表，采用頻率校正法得到控制信號值，首先測量不同 溫度下的頻率器件的頻率響應，得到頻率f和溫度的關系信息，然后得到標稱頻率f。和頻 率f的差值頻率同溫度的關系信息，即校正頻率信息，在振蕩器使用溫度范圍內的不同溫 度下，通過溫度補償電路輸出控制信號，改變可調電容庫中可變電容的電容值，使輸出頻率 趨于該溫度的校正頻率，記錄各溫度時的控制信號值，得到控制信號_溫度關系信息，存儲 在查閱表中。 所述溫度補償電路直接通過查閱表得到相應溫度的控制信號值，或者對查閱表中 的控制信號-溫度關系信息進行全段或者不同溫度范圍內分段采用零階、一階、二階、多階 函數擬合或插值方法來獲得所需控制信號。 進一步地，可以重新進行校正定標并獲得控制信號-溫度關系表或者頻率-溫度 信號表，以及相關系數，存儲于溫度補償電路的查閱表中。 本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明采用的溫度補償系統(tǒng)和方法，能有效校正聲表面波頻 率器件的溫度特性，采用溫度補償系統(tǒng)后的聲表面波頻率器件可以改善頻率穩(wěn)定度至 < +/-20ppm以下的水平，同時擁有高頻率和低相位噪聲的優(yōu)點，并適合于集成在集成電路 芯片中或者采用微處理器控制。


下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述 圖1為本發(fā)明的實施例1的系統(tǒng)原理圖； 圖2為本發(fā)明的實施例的頻率-溫度關系曲線示意圖； 圖3為本發(fā)明的實施例的校正頻率曲線示意圖； 圖4為本發(fā)明的實施例進行溫度補償后的頻率-溫度關系曲線示意圖； 圖5為本發(fā)明的實施例2的系統(tǒng)原理 圖6為本發(fā)明的實施例3的系統(tǒng)原理圖；
圖7為本發(fā)明的實施例4的系統(tǒng)原理圖；
圖8為本發(fā)明的實施例5的系統(tǒng)原理圖；
圖9為本發(fā)明的實施例6的系統(tǒng)原理圖。 其中1聲表面波材料；2振蕩器核；3溫度傳感器；4溫度補償電路；5可調電容 庫；40數字溫度補償電路；401模擬數字轉換器；402數字模擬轉換器；41模擬溫度補償電 路；411濾波器；42含有微處理器的溫度補償子系統(tǒng)。
具體實施例方式
本發(fā)明的設計目標是利用聲表面波振蕩器的內在優(yōu)勢，利用溫度補償系統(tǒng)解決其 溫度穩(wěn)定性差的問題，來得到高頻率、高精度的SAW振蕩器，補償后的SAW的溫度穩(wěn)定度與 石英晶體的溫度系數接近，并達到<+/-2(^。!11的水平。關鍵技術問題在于在芯片中設計適 合于SAW器件的溫度補償機制。和溫度補償晶體振蕩器不同，本發(fā)明的溫度補償系統(tǒng)成本 較低，制造廠不需要高昂的設備投資。 實施例1 :如圖1所示，本發(fā)明的實施例1的溫度補償系統(tǒng)包括溫度傳感器3、溫度 補償電路4，以及和聲表面波材料1相連的振蕩器核2，其中，振蕩器核2包括一個可調電容 庫5，至少包含一個可變電容。所述可變電容庫中的可變電容可以接受數字信號或模擬信 號、電流信號或電壓信號的控制，可以根據所用的溫度補償電路來選擇配套使用的可調電 容。通過溫度傳感器3將測得的頻率器件的溫度信息傳遞給溫度補償電路4。溫度傳感器 3采用半導體PN結二極管，也可以采用其他溫度敏感元件或電路。溫度補償電路4輸出控 制信號，調節(jié)可調電容庫中的可變電容的電容值，當可調電容的電容值變化時，引起振蕩核 的輸出頻率的變化。溫度補償電路4的控制信號，通過查閱存儲于溫度補償電路4的查閱 表中的控制信號-溫度關系信息或者頻率-溫度信號關系信息，并經過曲線擬合及插值得 到，使振蕩核的輸出頻率能穩(wěn)定在頻率器件的標稱頻率上。 在溫度補償電路4的存儲器中，存儲的一張查閱表(Look Up Table, LUT)，記錄有 N個不同溫度和對應的N個不同控制信號，即控制信號-溫度關系表，以及其他信息?？刂?信號可以為電流信號，也可以為電壓信號，由溫度補償電路4輸出給可調電容庫5。查閱表 可以存儲于寄存器、內存等存儲器中或者是微處理器里的算法軟件中。在溫度補償電路4 工作過程中，通過使用查表并經過曲線擬合及插值的方法來獲得對應溫度信息所需的控制 信號的數值。 溫度補償電路4輸出的控制信號可以由多種算法得到，包括預失真法和頻率校 正法，下面將一一介紹。 預失真法通過溫度補償電路4輸出控制信號，控制信號可以為電流信號，也可以 為電壓信號，改變可調電容庫中可變電容的電容值，使輸出頻率趨于頻率器件的標稱頻率， 記錄此溫度值下頻率達到標稱頻率時的控制信號值，并在振蕩器使用溫度范圍內的不同溫 度下分別進行測試，得到控制信號-溫度關系曲線，即控制信號-溫度關系表。如果連續(xù)改 變溫度測量所需的控制信號，則可以得到控制信號的連續(xù)溫度函數，控制信號-溫度關系 曲線為一條平滑的曲線。但更普遍的情況是，只測量振蕩器正常使用溫度范圍內的N個不 同的離散溫度點(Tl， T2， T3， . . . ， Tn)，以及對應的控制信號(Cl， C2， C3， . . . ， Cn)，得到控制信號的離散溫度函數，控制信號-溫度關系曲線為一條分段的直線，所測的離散溫度點 越多，分段的控制信號_溫度關系曲線越接近平滑的曲線。 頻率校正法首先測量不同溫度下的頻率器件的頻率響應，得到如圖2所示的頻 率f和溫度的關系曲線，然后得到標稱頻率f 。和頻率f的差值頻率同溫度的關系曲線，即校 正頻率曲線，如圖3所示，在振蕩器正常使用溫度范圍內的不同溫度下，通過溫度補償電路 4輸出控制信號，改變可調電容庫5中可變電容的電容值，使輸出頻率的改變量趨于該溫度 的校正頻率，從而使總的輸出頻率(對應于溫度的原輸出頻率與輸出頻率的改變量之和) 趨于標稱頻率，如圖4所示。 溫度補償電路4直接查查閱表中的控制信號-溫度關系曲線或頻率信號-溫度關 系信息得到相應溫度的控制信號值，但是對于處于兩個相鄰離散溫度點1\和Ti+1之間的溫 度，只能取這兩個相鄰離散溫度點上的控制信號值和Ci+1)之一作為相鄰離散溫度點之 間的溫度上的控制信號值，即零階擬合。更精確的做法是，對控制信號-溫度關系曲線進行 曲線擬合和插值來得到控制信號值。曲線擬合可以為一階、二階或多階擬合。在系統(tǒng)及電 路實現中，也可以在不同的溫度范圍內分段采用零階、一階、二階、以及多階函數擬合或插 值方法來獲得所需信號。 對于一階擬合，可以采用三點擬合，所需的信號值可以表示為
r —:rs = & + r — Td - A) (l) 其中&是溫度，Si是溫度1\時的所需信號，Si可以為控制信號Ci，也可以是頻率器 件的頻率fi，也可以是校正頻率f。-fi。 一階擬合也可以采用其他線性的多點擬合方式。多 點線性擬合比三點擬合更準確，且點數取的越多越準確，但也會使算法和實際電路更復雜。
二階擬合可以采用如下的函數 3 = jos —&)2 ，或者^^ = j(r-:r。)2 (2) 其中，T。和S。分別為所需信號-溫度曲線中的曲線拐點的溫度值和信號值，測量 兩組值，則可以計算得到系數A和T。的值。通過測量更多組值并取平均，可以得到更準確 的A的估值。 二階擬合還可以采用如下的函數 ^^ = a + 6r + cr2 ，或者^^a + M + cS2 (3) 采用函數(3)需要至少測量3個溫度點的值。同樣，還可以采用三階或更高階的 函數來實現曲線擬合。 溫度補償電路4輸出的控制信號改變可調電容庫5中一個或者多個可變電容的電 容值，控制信號可以為電流信號，也可以為電壓信號，可變電容可以調節(jié)頻率器件的輸出頻 率，使頻率值穩(wěn)定在標稱頻率上。聲表面波材料和振蕩器核的連接為現有技術，不再贅述。
此溫度補償系統(tǒng)可以利用集成電路技術，制作在同一塊芯片或一塊以上的芯片之 中，具有更小的體積和更低的成本。在使用集成電路芯片的溫度補償系統(tǒng)的芯片生產及模 塊集成過程中，由于制造的某一款芯片在個體上存在差異，或者因為頻率器件在個體上存 在差異，實際的頻率_溫度信號曲線以及控制信號_溫度關系曲線可能互相有所不同，這樣
7統(tǒng)一的校正數據可能達不到最好的溫度補償效果。為解決這一問題，可以重新進行校正定
標并獲得控制信號_溫度關系表或者頻率_溫度信號表，以及相關系數(例如A， T。， a， b，
c，等等)，存儲于溫度補償電路4的查閱表中。需要重新校正信息的情況有以下幾種 1.在更換芯片制造廠商之后； 2.對于不同工藝的芯片制造技術； 3.對于芯片制造過程中不同批次生產的芯片； 4.對于芯片制造過程中處于晶圓不同位置的晶片； 5.其他需要重新校正定標的情況。 實施例2 :如圖5所示為本實施例的溫度補償系統(tǒng)的原理圖。本實施例的溫度補 償系統(tǒng)，包括溫度傳感器3、溫度補償電路4、包含可調電容庫5的振蕩器核2，聲表面波材料 1和振蕩器核2相連。通過溫度傳感器3將測得的頻率器件的溫度信息傳遞給溫度補償電 路4。本實施例采用數字補償技術，溫度補償電路是數字溫度補償電路40，在數字溫度補償 電路40和溫度傳感器3之間，連有模擬數字轉換電路401 ，將溫度傳感器3輸出的模擬信號 轉換為數字信號，然后輸出給數字溫度補償電路40。數字溫度補償電路40通過查查閱表得 到該溫度信號對應的控制信號，用來控制和振蕩器核相連的可調電容庫5中一個或者多個 可變電容的電容值，從而調節(jié)頻率器件的頻率，使頻率值穩(wěn)定在標稱頻率。本實施例的可變 電容可以接受數字信號的控制。查閱表和實施例1的相同，不再贅述。
實施例3 :對于不能受數字信號控制的可變電容，可在數字溫度補償電路40的輸 出接一個數字模擬轉換器402，如圖6所示，將溫度補償電路4的數字輸出信號先轉換成模 擬信號后再傳輸給可變電容，對其電容值進行控制。實施例3的其余部分和實施例2相同
實施例4 :本實施例的溫度補償電路4采用模擬溫度補償電路41。通過溫度傳感 器1將測得的頻率器件的溫度信息直接傳遞給模擬溫度補償電路41，模擬溫度補償電路產 生和溫度信號相應的控制信號，用來控制和振蕩器核相連的可調電容庫5中至少一個可變 電容，從而調節(jié)頻率器件的頻率，使頻率保持穩(wěn)定。其中模擬溫度補償電路產生控制信號的 方法和數字溫度補償電路產生控制信號的方法相同，采用預失真法或頻率校正法得到控制 信號-溫度關系曲線，并存儲在查閱表中，并通過模擬溫度補償電路41直接查查閱表中的 控制信號_溫度關系曲線得到相應溫度的控制信號值，或者對控制信號_溫度關系曲線進 行曲線擬合和插值來得到控制信號值。曲線擬合可以為一階、二階或多階擬合。
實施例5 :為了改善溫度補償系統(tǒng)的性能，如圖8所示的實施例5的模擬溫度補償 電路的輸出連接有一個濾波器411，過濾掉雜波信號，然后再和可調電容庫5中的一個或多 個可變電容相連，其余部分電路和實施例4相同。 實施例6 :為了改善溫度補償系統(tǒng)的性能，如圖9所示的實施例6的模擬溫度補償 電路是一個溫度補償子系統(tǒng)42，其中包含有微處理器，可以使用比較復雜和高精度的溫度 補償算法。 以上所述，僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不能以此限定本發(fā)明實施的范圍，凡依本 發(fā)明權利要求及說明書內容所作的簡單的變換，皆應仍屬于本發(fā)明覆蓋的保護范圍。
權利要求
一種聲表面波頻率器件的溫度補償系統(tǒng)，包括溫度傳感器(3)、溫度補償電路(4)和與聲表面波材料(1)相連的振蕩器核(2)，其特征在于所述振蕩器核(2)包括可調電容庫(5)，至少含有一個可變電容，所述溫度補償電路(4)的存儲器中存儲有查閱表，包含控制信號-溫度關系信息或頻率信號-溫度關系信息。
2. 根據權利要求1中所述的聲表面波頻率器件的溫度補償系統(tǒng)，其特征在于所述溫 度補償電路(4)可以是模擬溫度補償電路(41)或者是數字溫度補償電路(40)，或者是含 有微處理器的溫度補償子系統(tǒng)(42);當是數字溫度補償電路(40)時，在數字溫度補償電路 (40)和溫度傳感器(3)之間，連接有模擬數字轉換器(401)，將溫度傳感器(3)輸出的模擬 信號轉換為數字信號，然后輸出給數字溫度補償電路(40);數字溫度補償電路(40)輸出的 控制信號直接控制可調電容庫(5)中的可變電容，或者通過數字模擬轉換器(402)將數字 信號轉換為模擬信號以后，再控制可變電容。
3. 根據權利要求2中所述的聲表面波頻率器件的溫度補償系統(tǒng)，其特征在于所述模 擬溫度補償電路(41)連接一個濾波器(411)后再和可調電容庫(5)相連。
4. 根據權利要求1中所述的聲表面波頻率器件的溫度補償系統(tǒng)，其特征在于所述可 變電容庫(5)中的可變電容可以接受數字信號或模擬信號、電流信號或電壓信號的控制。
5. 根據權利要求1或2中所述的聲表面波頻率器件的溫度補償系統(tǒng)，其特征在于所 述系統(tǒng)可以利用集成電路技術，制作在同一塊芯片或一塊以上的芯片之中。
6. —種聲表面波頻率器件的溫度補償方法，其特征在于包括如下步驟步驟S1 :通過溫度傳感器(1)將測得的頻率器件的溫度信息傳遞給溫度補償電路(4);步驟S2:系統(tǒng)查閱存儲于溫度補償電路(4)中的查閱表或其他與溫度相應的信息，產 生控制信號，用來控制振蕩器核(2)的可調電容庫(5)中至少一個可變電容的電容值； 步驟S3 :可變電容調節(jié)頻率器件的頻率，使頻率穩(wěn)定在標稱頻率。
7. 根據權利要求6中所述的聲表面波頻率器件的溫度補償方法，其特征在于所述溫度補償電路(4)中存有查閱表，采用預失真法得到控制信號值，首先在振蕩器使用溫度范 圍內的不同溫度下，通過溫度補償電路(4)輸出控制信號，改變可調電容庫(5)中可變電容的電容值，使輸出頻率穩(wěn)定在標稱頻率，然后分別記錄各溫度時的控制信號值，得到控制信 號-溫度關系信息，并存儲在查閱表中。
8. 根據權利要求6中所述的聲表面波頻率器件的溫度補償方法，其特征在于所述溫度補償電路(4)存有查閱表，采用頻率校正法得到控制信號值，首先測量不同溫度下的頻率器件的頻率響應，得到頻率f和溫度的關系信息，然后得到標稱頻率f。和頻率f的差值 頻率同溫度的關系信息，即校正頻率信息，在振蕩器使用溫度范圍內的不同溫度下，通過溫度補償電路(4)輸出控制信號，改變可調電容庫(5)中可變電容的電容值，使輸出頻率趨于該溫度的校正頻率，記錄各溫度時的控制信號值，得到控制信號-溫度關系信息，存儲在查閱表中。
9. 根據權利要求6中所述的聲表面波頻率器件的溫度補償方法，其特征在于所述溫度補償電路(4)直接通過查閱表得到相應溫度的控制信號值，或者對查閱表中的控制信號-溫度關系信息進行全段或者不同溫度范圍內分段采用零階、一階、二階、多階函數擬合 或插值方法來獲得所需控制信號。
10.根據權利要求6至9中任意一項所述的聲表面波頻率器件的溫度補償方法，其特征 在于可以重新進行校正定標并獲得控制信號-溫度關系表或者頻率-溫度信號表，以及相 關系數，存儲于溫度補償電路(4)的查閱表中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聲表面波頻率器件的溫度補償系統(tǒng)，包括溫度傳感器、溫度補償電路和與聲表面波材料相連的振蕩器核，溫度補償電路可以是數字補償電路或模擬補償電路，并且可以集成在一個或多個集成電路芯片上，且存有查閱表，存儲控制信號-溫度關系曲線等信息。本發(fā)明還公開了一種聲表面波頻率器件的溫度補償方法，通過溫度傳感器將測得的頻率器件的溫度信息傳遞給溫度補償電路，溫度補償電路查閱查閱表，產生和溫度信號相應的控制信號，用來控制振蕩器核中的可調電容庫中至少一個可變電容，從而調節(jié)頻率器件的頻率，使頻率穩(wěn)定在標稱頻率。本發(fā)明能有效校正聲表面波頻率器件的溫度特性，改善頻率穩(wěn)定度，同時擁有高頻率和低相位噪聲的優(yōu)點。
文檔編號H03H9/02GK101714872SQ20091022093
公開日2010年5月26日 申請日期2009年11月11日 優(yōu)先權日2009年11月11日
發(fā)明者劉斌, 張達泉, 林勁松 申請人:蘇州麥格芯微電子有限公司