一種用于晶體振蕩器的溫度補償電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于集成電路領(lǐng)域，具體為一種用于晶體振蕩器的溫度補償電路。本發(fā)明的溫度補償電路產(chǎn)生對溫度呈三次方函數(shù)的基準電壓Vref，在控制信號Cont_Rm1、Cont_Rm2、Cont_Rm3和Cont_NL作用下，實現(xiàn)對輸出基準電壓的大小、一次項系數(shù)、二次項系數(shù)、三次項系數(shù)的控制，從而根據(jù)不同的晶體的溫度?頻率特性，改變基準電壓的溫度系數(shù)以及零溫度系數(shù)點。該基準電壓控制變?nèi)荻O管的容值，從而精確補償晶體振蕩器的振蕩頻率因溫度變化產(chǎn)生的偏移，提高頻率的溫度穩(wěn)定度。本發(fā)明實現(xiàn)了對不同溫度特性的晶體，產(chǎn)生溫度系數(shù)以及零溫度系數(shù)點不同的基準電壓，靈活性高，補償精度高，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于小型化和集成化。
【專利說明】
一種用于晶體振蕩器的溫度補償電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于集成電路領(lǐng)域，涉及晶體振蕩器的溫度補償電路，具體為一種對溫度 呈三次方函數(shù)的基準電壓產(chǎn)生電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 晶體振蕩器作為穩(wěn)定的頻率源廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備以及無線通信技術(shù)等 領(lǐng)域，其頻率對溫度變化的穩(wěn)定度是衡量晶體振蕩器性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。溫度補償 晶體振蕩器通過溫度補償網(wǎng)絡(luò)減小晶體振蕩器輸出頻率因溫度變化產(chǎn)生的偏移，從而提高 頻率穩(wěn)定度。
[0003] 對于常用于晶體振蕩器的AT切型石英諧振器，其諧振頻率和溫度的關(guān)系用三次曲 線描述，具體為：
[0004] f(T)=f〇+A · (T-T〇)+B · (T-T〇)2+C · (T-T〇)3 (1)
[0005] 其中，Τ是絕對溫度，f是溫度Τ下的諧振頻率，fQ是溫度為Το時的標(biāo)稱頻率，Το是參 考溫度，也是溫度-頻率特性曲線的拐點，A、B、C分別是溫度-頻率關(guān)系式中一次項、二次項、 三次項的系數(shù)。
[0006] 為了補償晶體的諧振頻率因溫度變化產(chǎn)生的偏移，在晶體諧振器支路上串聯(lián)一變 容二極管，變?nèi)荻O管的容值由其兩端的電壓控制，通過改變電壓改變變?nèi)荻O管的容值， 從而改變諧振器的負載電容，使諧振器的諧振頻率向減小頻率偏移的方向變化，減小頻率 偏移量，提高晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度。
[0007] 變?nèi)荻O管的控制電壓對晶體諧振頻率的改變用線性函數(shù)近似描述，具體為：
[0008] f(V)=f〇-G(V-V〇) (2)
[0009] 其中，G是增益，Vo是參考電壓。
[0010] 為了補償諧振器諧振頻率的偏移量，必須有：
[0011] Af(T)=-Af(V) (3)
[0012] 則變?nèi)荻O管的控制電壓和溫度的關(guān)系表示為：
[0013] v(T)=V0+a · (T_T〇)+b · (T_T〇)2+c · (T-T〇)3 (4)
[0014] 其中，a = A/G，b = B/G，c = C/G，該電壓對溫度呈三次方函數(shù)關(guān)系，晶振電路溫度補 償技術(shù)的關(guān)鍵是產(chǎn)生對溫度呈三次方函數(shù)的控制電壓V(T)，使晶體振蕩器的頻率-溫度特 性曲線接近理想的f (T) =f〇。
[0015] 目前晶振電路的溫補技術(shù)有模擬溫度補償、數(shù)字溫度補償以及微處理器溫度補償 等技術(shù)。數(shù)字溫度補償技術(shù)由于采用了 A/D、D/A、存儲器、溫度傳感器等模塊使得系統(tǒng)的成 本較高，且由于頻率跳變現(xiàn)象增加了晶振電路的相位噪聲;微處理器溫度補償技術(shù)更是由 于采用了微處理器、A/D、D/A以及濾波器等外圍電路模塊不易實現(xiàn)集成化和小型化。
[0016] 模擬溫度補償技術(shù)更容易產(chǎn)生連續(xù)的電壓，且易于集成化和小型化。目前的模擬 溫度補償技術(shù)中，大多采用分段補償?shù)姆绞?，分別產(chǎn)生對高溫段和低溫段進行補償?shù)碾妷海?求和后得到在全溫度范圍內(nèi)對溫度呈三次函數(shù)關(guān)系的補償電壓，且采用參數(shù)寫入RAM和 PROM的方式調(diào)節(jié)式(4)中的各次項系數(shù)?，F(xiàn)有的模擬溫度補償技術(shù)，不僅電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電 路功耗大，不利于芯片集成的小型化實現(xiàn)，而且難以實現(xiàn)控制電壓各次項系數(shù)可調(diào)的要求， 不能適用于不同的晶體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 針對現(xiàn)有晶體振蕩器溫度補償網(wǎng)絡(luò)成本高、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易集成化和小型化 的缺點，本發(fā)明提供了一種用于晶體振蕩器的溫度補償電路，該溫度補償電路根據(jù)不同晶 體的溫度特性，產(chǎn)生大小和溫度系數(shù)可調(diào)的對溫度呈三次方函數(shù)的基準電壓，該基準電壓 通過控制變?nèi)荻O管的容值改變晶體的負載電容，從而補償晶體振蕩頻率因溫度變化產(chǎn)生 的偏移，提高頻率穩(wěn)定度。
[0018] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0019] 一種用于晶體振蕩器的溫度補償電路，包括啟動電路、可調(diào)的PTAT(pr〇p 〇rti〇nal to absolute temperature)電流源、可調(diào)的 CTAT(complementary to absolute temperature)電流源、可調(diào)的非線性電流源、電流求和模塊以及可調(diào)的電流-電壓轉(zhuǎn)換器。
[0020] 啟動電路用于在電源上電瞬間，給可調(diào)的PTAT電流源提供非零的直流工作點。電 路啟動完成后，啟動電路關(guān)閉，不消耗電流；
[0021] 可調(diào)的PTAT電流源產(chǎn)生大小和一次項系數(shù)不同的PTAT電流；
[0022]可調(diào)的CTAT電流源產(chǎn)生大小和一次項系數(shù)不同的CTAT電流；
[0023]可調(diào)的非線性電流源產(chǎn)生大小、一次項系數(shù)、二次項系數(shù)、三次項系數(shù)均不同的非 線性電流；
[0024]電流求和模塊對所述PTAT電流、CTAT電流以及非線性電流求模，產(chǎn)生對溫度呈三 次方函數(shù)的電流；
[0025] 可調(diào)的電流-電壓轉(zhuǎn)換器將電流轉(zhuǎn)換為電壓，該電壓對溫度呈三次方函數(shù)關(guān)系，用 于控制晶體振蕩器中變?nèi)荻O管的容值，補償晶體的振蕩頻率因溫度變化產(chǎn)生的偏移。
[0026] 在控制信號(：〇11^1、(：〇1^_1^2、(：〇1^_1^ 3和(：〇1^_見作用下，分別調(diào)節(jié)？了41'電流、 CTAT電流、非線性電流的溫度系數(shù)以及基準電壓的大小，從而根據(jù)不同晶體的溫度-頻率特 性調(diào)節(jié)該基準電壓的大小和溫度系數(shù)。
[0027] 進一步地，所述啟動電路包括P型M0S管MS1、MS2以及電容CUMS1的柵接VA，漏接 MS2的柵，源接電源VCC，MS2的柵接MS 1的漏和電容C1的正端，源接電源VCC，漏接MN1的柵，電 容C1的負端接地電位。
[0028] 進一步地，所述可調(diào)的PTAT電流源包括4個P型M0S管，分別為MP1、MP2、MP3和MP4，4 個N型M0S管，分別為麗1、麗2、麗3和MN4以及mXn個憶阻器組成的憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rml，m>l，n> 1 JP1的源接電源VCC，柵和漏以二極管連接的形式接在一起，且接MP3的源和MP2的柵;MP2 的源與憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm的一端相連，漏接MP4的源;MP3和MP4的柵接在一起，漏分別與麗1和 麗2的漏相連，MP3的柵同時還接MP3的漏;MP2的襯底與源端相連消除了襯偏效應(yīng)，MP1、MP3 和MP4的襯底都接電源VCC;憶阻器網(wǎng)絡(luò)R ml的另一端接電源VCC ;MN1的漏接MP3的漏，源接MN3 的漏，柵接MN2的柵與漏;麗2的漏接MP4的漏，源接麗4的漏;麗3和麗4的柵相連，且接MN4的 漏，麗3和MN4的源都接地電位;麗1、麗2、麗3和MN4的襯底都接地電位。
[0029] 進一步地，上述可調(diào)的PTAT電流源中，P型M0S管MP1、MP2和憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rml產(chǎn)生正溫 度系數(shù)的電流，即PTAT電流;P型MOS管MP3和MP4組成電流鏡;N型MOS管MN1、MN2、MN3和MN4組 成共源共柵電流鏡，共柵管MN1和MN2有效隔離了電源電壓的波動，提高了 PTAT電流源的 PSRR〇
[0030] 進一步地，所述MP1和MP2工作在亞閾區(qū)，其個數(shù)比為1:N，即MP1由1個單元的MOS管 組成，MP2由N個單元的M0S管并聯(lián)組成，則其寬長比為：（W/L)mpi:(W/L)mp2=1:N(N彡2)。流過 MP1和MP2的電流相等，且都為PTAT電流。
[0031] 由MP1和MP2的電流電壓關(guān)系以及電路的連接關(guān)系，該PTAT電流表示為：
(5)
[0032]
[0033] 其中，IPTAT是PTAT電流，αη是PTAT電流的一次項系數(shù)。
[0034] 所述可調(diào)的PTAT電流源產(chǎn)生大小和一次項系數(shù)不同的PTAT電流通過以下方法實 現(xiàn):憶阻器網(wǎng)絡(luò)R ml是由mXn個憶阻器組成，內(nèi)部帶有擦寫電路，通過控制信號Cont_Rml的控 制，實現(xiàn)任意阻值，從而調(diào)整PTAT電流的斜率a n。
[0035] 考慮MP1和MP2不匹配以及VA和VB不相等導(dǎo)致的非線性特性，PTAT電流表示為：
[0036] ΙρτΑτ=α?2Τ+αι2Τ2 (6)
[0037] 其中，α12是PTAT電流的二次項系數(shù)。
[0038] 進一步地，本發(fā)明所述可調(diào)的CTAT電流源包括P型M0S管MP5和MP6，N型M0S管麗5、 麗6、麗7和MN9，運放0ΡΑ以及m X η個憶阻器組成的憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm2，m > 1，η > 1。MP5的柵漏以 二極管形式接在一起，且接運放0ΡΑ的同相輸入端，源和襯底接電源VCC ;ΜΡ6的柵接運放0ΡΑ 的輸出端，源接運放0ΡΑ的反相輸入端，且與憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm2的一端相連;憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm2的另 一端與電源VCC相連;麗5和麗6柵分別接麗2和麗4的柵，麗5的源接MN6的漏，漏接MP5的漏， MN6的源接地電位;MN7的柵和漏以二極管連接的形式接在一起，且接MP6的漏，源接MN9的 漏;MN9的柵漏接一起且與MN7的源相連，源接地電位;MN5、MN6、MN7和MN9的襯底都接地電 位。
[0039] 進一步地，所述可調(diào)的CTAT電流源中，MP5、運放0ΡΑ和憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm2產(chǎn)生CTAT電 流，麗5和麗6組成電流鏡鏡像PTAT電流給MP5提供直流偏置，麗7和麗9組成電流鏡做MP6的 負載，同時輸出CTAT電流。
[0040] 進一步地，上述的P型M0S管MP5工作在亞閾區(qū)，用于產(chǎn)生CTAT電壓。對于工作在亞 閾區(qū)的M0S管，當(dāng)其電流為固定值時，其柵源電壓V sg5具有負的溫度系數(shù);運放0ΡΑ的嵌位功 能使得其同相輸入端和反相輸入端的電位相等；由電路的連接關(guān)系，憶阻器網(wǎng)絡(luò)R m2兩端的 電壓是Vsg5，所以流過Rm2的電流是Vsg5/R m2，由于Vsg5具有負的溫度系數(shù)，忽略Rm2的溫度系數(shù) 時，流過憶阻器網(wǎng)絡(luò)R m2的電流也具有負的溫度系數(shù)，具體表示為：
(7)
[0041] Λ ''ml
[0042] 其中，Icm是CTAT電流，a21是CTAT電流隨溫度變化的一次項系數(shù)。
[0043] 所述可調(diào)的CTAT電流源產(chǎn)生大小和一次項系數(shù)不同的CTAT電流通過以下方法實 現(xiàn):憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm2是由mXn個憶阻器組成，內(nèi)部帶有擦寫電路，通過控制信號Cont_R m2的控 制，實現(xiàn)任意阻值，從而調(diào)整CTAT電流的斜率a21。
[0044] 進一步地，考慮Vsg5由于偏置電流的溫度特性、運放失調(diào)等引起的非線性項，CTAT 電流表示為：
[0045] IcTAT=ci2iT+a22T2 (8)
[0046] 其中，a22是CTAT電流隨溫度變化的二次項系數(shù)。
[0047] 所述可調(diào)的非線性電流源由Ml~Mk的k個N型M0S管，SW1~SWk的k個選擇開關(guān)以及 譯碼器S組成。Ml~Mk的k個N型M0S管的柵端與各自的源端分別相連，漏端分別與SW1~SWk 的開關(guān)的一端相連，襯底都與地電位相連;SW1~SWk的k個選擇開關(guān)的另一端接在一起且與 麗8的漏相連;譯碼器S的輸出信號Cont_l~Cont_k*別控制SW1~SWk的開關(guān)，譯碼器的輸 入接控制信號Cont_NL。
[0048] 進一步地，所述Ml~Mk的k個N型M0S管工作在亞閾值區(qū)，其電流是非線性電流，具 體表示為：
?9)
[0049]
[0050] 其中，IMk是流過M0S管Mk的電流，μ是載流子迀移率，是柵氧化層單位面積電容， W是溝道寬度，L是溝道長度，II是亞閾傾斜因子，q是電子電量，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫 度，Vth是Mk的閾值電壓。該電流是溫度的非線性函數(shù)，將該電流用泰勒級數(shù)展開到三階項， 忽略高階項，則該非線性電流表示為：
[0051] lMk = a31T+a32T2+a33T3 (10)
[0052] 其中，a31是非線性電流IMk隨溫度變化的一次項系數(shù)，a32是非線性電流I Mk隨溫度變 化的二次項系數(shù)，a33是非線性電流iMk隨溫度變化的三次項系數(shù)。
[0053] 進一步地，Ml~Mk的k個N型M0S管中，Ml由1個單元組成，M2由兩個單元并聯(lián)組成， Mk由k個單元并聯(lián)組成，它們的寬長比滿足：（W/L)mi:(W/L)m2: . . . :(W/L)Mk=l:2: . . . :k。由 于Ml~Mk都是由相同的單元并聯(lián)組成的，其閾值電壓相同，則流過Ml~Mk的電流比滿足： Imi:Im2: · · · :lMk=l:2: · · · :k〇
[0054] 進一步地，譯碼器S的輸出信號Cont_l~(：〇的_1^在任意時刻只有一個信號有效，從 而開關(guān)SW1~SWk在任意時刻只有一個打開，所以該時刻只有Ml~Mk中的一個M0S管電流可 以輸出，即：
[0055] INL = a31T+a32T2+a33T3 (11)
[0056] 所述可調(diào)的非線性電流源產(chǎn)生大小、一次項系數(shù)和二次項系數(shù)不同的非線性電流 通過以下方法實現(xiàn)：改變譯碼器S的輸入信號Cont_NL的控制字，則改變開關(guān)的控制信號 Cont_l~Cont_l^^有效性，從而改變非線性電流的大小和溫度系數(shù)。
[0057] 所述電流求和模塊包括N型M0S管MN8、MN10、MN11以及MN12。其中，MN7、MN8、MN9和 麗10組成共源共柵電流鏡鏡像CTAT電流，MN8的柵接麗7的柵，源接麗10的漏，漏接麗11的 漏;麗10的柵接MN9的柵，源接地電位；同理，MN2、麗4、麗11和MN12組成共源共柵電流鏡鏡像 PTAT電流，麗11的柵接MN2的柵，源接MN12的漏，麗12的柵接MN4的柵，漏接麗11的源，源接地 電位;MN8、MN10、MN11和MN12的襯底都接地電位，同時MN8的漏和MN11的漏相連，且接非線性 電流的輸出端，形成基準電流Irrf，該電流表示為：
[0058] Iref = Iptat+Ictat+Inl= (an+a2i+a3i)T+(ai2+a22+ci32)T2+a33T3 (12)
[0059] 所述可調(diào)的電流-電壓轉(zhuǎn)換器包括mXn個憶阻器組成的憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm3。憶阻器網(wǎng) 絡(luò)Rm3的一端接電源VCC，另一端接MN8的漏，則基準電壓V rrf表示為：
[0060] Vref = VDD-Rm3[ (αιι+α2?+α3?)Τ+(α!2+α22+α32)Τ2+α33Τ3] (13)
[0061] 憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm3內(nèi)部帶有擦寫電路，通過控制信號Cont_Rm3的控制，以實現(xiàn)任意阻 值，從而根據(jù)變?nèi)荻O管的特性，調(diào)芐基準電壓Vrrf的大小。
[0062] 進一步地，上述基準電壓的溫度特性沒有考慮憶阻器的溫度特性，實際中，憶阻器 是有溫度特性的，考慮了憶阻器的溫度特性后，基準電壓可以表示為：
(14)
[0063]
[0064] 上式表明，憶阻器的溫度特性只會對非線性電流的溫度特性有影響，卻不會對 PTAT電流和CTAT電流的溫度特性產(chǎn)生影響，而非線性電流對溫度呈指數(shù)型關(guān)系，其一次項 系數(shù)、二次項系數(shù)、三次項系數(shù)相比憶阻器的溫度特性的系數(shù)比較大，故憶阻器的溫度特性 對基準電壓的影響可以忽略。
[0065]綜上，本發(fā)明一種用于晶體振蕩器的溫度補償電路產(chǎn)生對溫度呈三次方函數(shù)的基 準電壓Vref，在控制信號Cont_Rml、Cont_Rm2、Cont_R m3和Cont_NL作用下，實現(xiàn)對輸出基準電 壓的大小、一次項系數(shù)、二次項系數(shù)、三次項系數(shù)的控制，從而根據(jù)不同的晶體的溫度-頻率 特性，改變基準電壓的溫度系數(shù)以及零溫度系數(shù)點。該基準電壓控制變?nèi)荻O管的容值，從 而精確補償晶體振蕩器的振蕩頻率因溫度變化產(chǎn)生的偏移，提高頻率的溫度穩(wěn)定度。
[0066]本發(fā)明的有益效果為:對不同溫度特性的晶體，產(chǎn)生溫度系數(shù)以及零溫度系數(shù)點 不同的基準電壓，靈活性高，補償精度高；沒有采用分段補償?shù)姆绞?，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本 低；不需要RAM和PR0M寫入?yún)?shù)調(diào)節(jié)補償電壓的系數(shù)，不需要單獨的溫度傳感器，不需要熱 敏電阻和固定電阻網(wǎng)絡(luò)，易于小型化和集成化。
【附圖說明】
[0067]圖1是本發(fā)明一種用于晶體振蕩器的溫度補償電路工作的原理框圖；
[0068]圖2是本發(fā)明一種用于晶體振蕩器的溫度補償電路的電路圖；
[0069]圖3是在控制信號Cont_Rml作用下改變Rml對基準電壓溫度系數(shù)和低溫段零溫系數(shù) 點影響的仿真結(jié)果；
[0070] 圖4是在控制信號Cont_Rm2作用下改變Rm2對基準電壓溫度系數(shù)和低溫段零溫系數(shù) 點影響的仿真結(jié)果；
[0071] 圖5是改變控制信號Cont_NL的控制字對基準電壓溫度系數(shù)和高溫段零溫系數(shù)點 影響的仿真結(jié)果。
【具體實施方式】
[0072] 下面結(jié)合圖1和圖2給出本發(fā)明的一種用于晶體振蕩器的溫度補償電路的具體實 施例。需要說明的是，該實施例只是為了解釋本發(fā)明，并不是對本發(fā)明的限制。
[0073] 圖1是本實施例提供的一種用于晶體振蕩器的溫度補償電路工作的原理框圖，溫 度補償電路在控制信號Cont_Rml、Cont_R m2、Cont_Rm3和Cont_NL作用下，產(chǎn)生大小、一次項系 數(shù)、二次項系數(shù)以及三次項系數(shù)可調(diào)的基準電壓Vref，該電壓控制晶體振蕩器中變?nèi)荻O管 的容值，從而補償晶體振蕩器的振蕩頻率因為溫度變化產(chǎn)生的偏移。
[0074] 圖2是本實施例一種用于晶體振蕩器的溫度補償電路的電路結(jié)構(gòu)，包括啟動電路、 可調(diào)的PTAT電流源、可調(diào)的CTAT電流源、可調(diào)的非線性電流源、電流求和模塊以及可調(diào)的電 流-電壓轉(zhuǎn)換器。
[0075]啟動電路包括P型M0S管MS1、MS2以及電容CUMS1的柵接VA，漏接MS2的柵，源接電 源VCC，MS2的柵接MSI的漏和電容C1的正端，源接電源VCC，漏接麗1的柵，電容C1的正端接 MS2的柵，負端接地電位。啟動電路用于在電源上電瞬間，給可調(diào)的PTAT電流源提供非零的 直流工作點，電路啟動完成后，啟動電路關(guān)閉，不消耗電流。電源上電瞬間，MS2開啟，向麗1 的柵節(jié)點輸入電流，從而MN2導(dǎo)通，產(chǎn)生電流，當(dāng)可調(diào)的PTAT電流源啟動完成時，MS 1檢測到 MP1的柵電位上升，MSI導(dǎo)通后會使MS2的柵電位上升，上升到MS2的柵源電壓約等于MS2的閾 值電壓時，MS2關(guān)閉，啟動完成，此后啟動電路不消耗電流，且不會對可調(diào)的PTAT電流源產(chǎn)生 影響。
[0076] 可調(diào)的PTAT電流源包括4個P型M0S管，分別為MP1、MP2、MP3和]\^4,4個~型]\?)3管，分 別為麗1、麗2、麗3和MN4以及憶阻器網(wǎng)路Rml(3MPl的柵和漏以二極管連接的形式接在一起，且 接MP3的源和MP2的柵，MP1的源接電源VCC ;MP2的源與憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rml的一端相連，漏接MP4的 源;MP3和MP4的柵接在一起，源分別與MP1和MP2的漏相連，漏分別與MN1和MN2的漏相連，MP3 的柵同時還接MP3的漏;MP2的襯底與源端相連消除了襯偏效應(yīng)，MP1、MP3、MP4的襯底都接電 源VCC;憶阻器網(wǎng)路R ml的另一端接電源VCC; N型M0S管麗1、麗2、麗3和MN4構(gòu)成共源共柵電流 鏡，MN1的漏接MP3的漏，源接MN3的漏，柵接MN2的柵與漏;MN2的漏接MP4的漏，源接MN4的漏； 麗3和MN4的柵相連，且接MN4的漏，麗3和MN4的源都接地電位;麗1、麗2、麗3、麗4的襯底都接 地電位。
[0077] 進一步地，P型M0S管MP1、MP2和憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rml產(chǎn)生正溫系數(shù)的電流，即PTAT電流;P 型M0S管MP3和MP4組成電流鏡，保證Va和VB相等，提高PTAT電流源的精度;N型M0S管MN1、MN2、 麗3、MN4組成共源共柵電流鏡做負載，共柵管麗1和麗2有效隔離了電源電壓的波動，提高了 可調(diào)的PTAT電流源的PSRR。
[0078] 進一步地，所述MP1和MP2工作在亞閾區(qū)，用于產(chǎn)生PTAT電壓，其個數(shù)比為1:N，即 MP1由1個單元的M0S管組成，MP2由N個單元的M0S管并聯(lián)組成，則其寬長比為：（W/L)mpi : (W/ L)mp2 = 1:N(N彡2)。由于MP1和MP2是由不同個數(shù)相同單元的M0S管組成，其閾值電壓相同。 MN1 和MN2以及MN3和MN4的寬長比分別為：（W/L)mni : (W/L)mn2 = 1:1，（W/L)mn3 : (W/L)mn4= 1:1， 保證了 MP1和MP2的電流相等，且都為PTAT電流。利用工作在亞閾區(qū)的M0S的電流-電壓的指 數(shù)關(guān)系以及電路的連接關(guān)系，該PTAT電流表不為：
Γ ? (15)
[0079] 1 其中，αη是PTAT電流的一次項系數(shù)。
[0081] 可調(diào)的PTAT電流源產(chǎn)生大小和一次項系數(shù)不同的PTAT電流通過以下方法實現(xiàn):憶 阻器網(wǎng)絡(luò)Rml是由mXn個憶阻器組成，內(nèi)部帶有擦寫電路，通過控制信號Cont_Rml的控制，實 現(xiàn)任意阻值，從而調(diào)整PTAT電流的斜率an，改變基準電壓V ref的溫度系數(shù)和低溫段零溫度系 數(shù)點。圖3是單獨改變憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rml的阻值（±5%)對輸出的基準電壓V ref的溫度系數(shù)和低 溫段零溫度系數(shù)點影響的仿真結(jié)果，仿真結(jié)果表明，Cont_Rm^號對基準電壓V ref的控制作 用明顯。
[0082]實際中，由于半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)過程中的非理想因素，會導(dǎo)致M0S管的失配。考慮MP1 和MP2不匹配以及VA和VB不相等導(dǎo)致的非線性特性，PTAT電流表示為：
[0083] ΙρτΑτ=αιιΤ+αι2Τ2 (16)
[0084] 其中，α12是PTAT電流的二次項系數(shù)，其值相比αη比較小。
[0085] 所述可調(diào)的CTAT電流源包括Ρ型M0S管ΜΡ5和ΜΡ6，Ν型M0S管ΜΝ5、ΜΝ6、ΜΝ7和ΜΝ9，運 放0ΡΑ以及憶阻器網(wǎng)絡(luò)1 2。1^5的柵漏以二極管形式接在一起，且接運放0ΡΑ的同相輸入端， 源和襯底接電源VCC;MP6的柵接運放0ΡΑ的輸出端，源接運放0ΡΑ的反相輸入端，且與憶阻器 網(wǎng)絡(luò)Rm的一端相連;憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm的另一端與電源VCC相連;MN5和MN6柵分別接MN2和MN4 的柵，麗5的源接MN6的漏，漏接MP5的漏，MN6的源接地電位;麗7的柵和漏以二極管連接的形 式接在一起，且接MP6的漏，源接MN9的漏;MN9的柵漏接一起且與MN7的源相連，源接地電位； 麗5、麗6、麗7、MN9的襯底都接地電位;MP5、運放0ΡΑ和憶阻器網(wǎng)絡(luò)R m2產(chǎn)生CTAT電流，麗5和 麗6組成電流鏡鏡像PTAT電流給MP5提供直流偏置，麗7和麗9組成電流鏡做MP6的負載且輸 出CTAT電流。
[0086] 進一步地，上述的P型M0S管MP5工作在亞閾區(qū)，用于產(chǎn)生CTAT電壓。對于工作在亞 閾區(qū)的M0S管，當(dāng)其電流為固定值時，其柵源電壓Vsg5具有負的溫度系數(shù)，一般為-2mV/°C~-lmV/°C，具體與MP5的偏置情況相關(guān)。該實施例中，MP5用PTAT電流偏置，由于PTAT電流有較 小的正溫度系數(shù)，導(dǎo)致Vsg5的負溫系數(shù)比_2mV/°C~-lmV/°C略小。對于理想的運放，其增益 無窮大，由其"虛短"特性知，同相輸入端和反相輸入端的電位相等，即：
[0087] Vin+ = Vin- (17)
[0088] 由于MP5的源端和憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm2的一端都接相同的電源VCC，故憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm2兩 端的電壓是V sg5，所以流過憶阻器網(wǎng)絡(luò)的電流是Vsg5/Rm2。由于Vsg5具有負的溫度系數(shù)，忽略 Rm2的溫度系數(shù)時，流過憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm2的電流也具有負的溫度系數(shù)，表示為：
(18)
[0089]
[0090]其中，α21是CTAT電流隨溫度變化的一次項系數(shù)。
[0091] 所述可調(diào)的CTAT電流源產(chǎn)生大小和一次項系數(shù)不同的CTAT電流通過以下方法實 現(xiàn):憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm2是由mXn個憶阻器組成，內(nèi)部帶有擦寫電路，通過控制信號Cont_Rm2的控 制，實現(xiàn)任意阻值，從而調(diào)整CTAT電流的斜率α21，改變基準電壓Vref的溫度系數(shù)和低溫段零 溫度系數(shù)點。圖4是單獨改變憶阻器R m2的阻值（±5%)對輸出的基準電壓Vref的溫度系數(shù)和 低溫段零溫度系數(shù)點影響的仿真結(jié)果，仿真結(jié)果表明，Cont_R m2信號對基準電壓Vref的控制 作用明顯。
[0092]考慮Vsg5由于偏置電流的溫度特性，運放0ΡΑ失調(diào)等引起的非線性以及自身的非線 性，則CTAT電流可以表示為：
[0093] ΙοτΑΤ=α2?Τ+α22Τ2 (19)
[0094] 其中，α22是CTAT電流隨溫度變化的二次項系數(shù)，其值相比α21比較小。
[0095] 可調(diào)的非線性電流源包括Ml~Mk的k個Ν型M0S管，SW1~SWk的k個選擇開關(guān)以及譯 碼器S組成。Ml~Mk的k個N型M0S管的柵端與源端分別相連，漏端分別與SW1~SWk的開關(guān)的 一端相連，所有開關(guān)的另一端接一起，譯碼器S的輸出信號Cont_l~Cont_k*別控制SW1~ SWk的開關(guān)，譯碼器的輸入接控制信號Cont_NL。
[0096] 進一步地，Ml~Mk的k個N型M0S管工作在亞閾值區(qū)，其電流是非線性電流，表示為： (20)
[0097]
[0098] 其中，IMk是流過M0S管Mk的電流，μ是載流子迀移率，是柵氧化層單位面積電容， W是溝道寬度，L是溝道長度，II是亞閾傾斜因子，q是電子電量，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫 度，Vth是Mk的閾值電壓。該電流是溫度的非線性函數(shù)，將該電流用泰勒級數(shù)展開到三階項， 忽略高階項，則該非線性電流表示為：
[0099] INL = a31T+a32T2+a33T3 (21)
[0100] 其中，a31是非線性電流INL隨溫度變化的一次項系數(shù)，a32是非線性電流I NL隨溫度變 化的二次項系數(shù)，a33是非線性電流Inl隨溫度變化的三次項系數(shù)。
[0101 ] 進一步地，Ml~Mk的k個N型M0S管中，Ml由1個單元組成，M2由兩個單元并聯(lián)組成， Mk由k個單元并聯(lián)組成，它們的寬長比滿足：（W/L)mi:(W/L)m2: . . . :(W/L)Mk=l:2: . . . :k。由 于Ml~Mk都是由相同的單元并聯(lián)組成的，其閾值電壓相同，則流過Ml~Mk的電流比滿足： Imi:Im2: · · · :lMk=l:2: · · · :k〇
[0102] 所述非線性電流源產(chǎn)生大小、一次項系數(shù)、二次項系數(shù)和三次項系數(shù)分別可調(diào)的 非線性電流通過以下方式實現(xiàn):在不同的控制字Cont_NL作用下，譯碼器S的輸出信號Cont_ 1~&3111:_1^在任意時刻只有一個信號有效，從而開關(guān)SW1~SWk在任意時刻只有一個打開，所 以該時刻只有Ml~Mk中的一個M0S管的非線性電流可以輸出。改變譯碼器S的輸入信號 Cont_NL的控制字，則可以改變開關(guān)的控制信號Cont_l~Cont_l^^有效性，從而改變輸出的 非線性電流的大小和溫度系數(shù)。圖5是單獨改變控制信號Cont_NL的控制字對輸出的基準電 壓V ref的溫度系數(shù)和高溫段零溫度系數(shù)點影響的仿真結(jié)果，仿真結(jié)果表明，Cont_NL信號對 基準電壓Vref的控制作用明顯。
[0103] 電流求和模塊包括N型M0S管麗8、1^10、1^11以及麗12。麗8的柵接麗7的柵，源接 麗10的漏，漏接麗11的漏;MN10的柵接MN9的柵，源接地電位;MN9和MN10組成電流鏡鏡像 CTAT電流。同理，MN11和MN12組成電流鏡鏡像PTAT電流，麗11的柵接MN2的柵，源接麗12的 漏，麗12的柵接MN4的柵，漏接MN8的漏，源接地電位;麗8、麗10、麗11、麗12的襯底都接地電 位；同時MN8的漏和MN11的漏相連，且接可調(diào)的非線性電流源中開關(guān)的另一端，形成基準電 流，該電流可以表示為：
[0104] Iref = Iptat+Ictat+Inl= (an+a2i+a3i)T+(ai2+a22+ci32)T2+a33T3 (22)
[0105] 可調(diào)的電流-電壓轉(zhuǎn)換器包括mXn個憶阻器組成的憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm3。憶阻器網(wǎng)絡(luò)R m3 的一端接電源VCC，另一端接MN8的漏，也是基準電壓的輸出端。該基準電壓表示為：
[0106] Vref = Vdd-Rhi3[ (aii+a2i+a3i)T+(ai2+a22+a32)T2+a33T3] (23)
[0107] 由于憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm3內(nèi)部帶有擦寫電路，通過控制信號Cont_Rm3的控制，實現(xiàn)任意 阻值，從而根據(jù)變?nèi)荻O管的特性，調(diào)芐基準電壓的大小。該基準電壓對溫度呈三次方函數(shù) 關(guān)系，通過控制信號調(diào)節(jié)該基準電壓各次項的系數(shù)，實現(xiàn)對晶體的振蕩頻率因溫度變化產(chǎn) 生的偏移補償，提高晶振電路的溫度穩(wěn)定度。
[0108] 上述基準電壓的溫度特性沒有考慮憶阻器網(wǎng)絡(luò)的溫度特性，實際中，憶阻器網(wǎng)絡(luò) 是有溫度特性的，考慮了憶阻器網(wǎng)絡(luò)的溫度特性后，基準可以表示為：
「 1 (24)
[0109]
[oho]上式表明，憶阻器網(wǎng)絡(luò)的溫度特性只會對非線性電流的溫度特性有影響，卻不會 對PTAT電流和CTAT電流的溫度特性產(chǎn)生影響，而非線性電流對溫度呈指數(shù)型關(guān)系，其一次 項系數(shù)、二次項系數(shù)、三次項系數(shù)相比憶阻器的溫度特性的系數(shù)比較大，故憶阻器的溫度特 性對基準電壓的影響可以忽略。
[0111] 圖3、圖4和圖5表明，控制信號Cont_Rml、Cont_Rm2、Cont_NL對輸出的基準電壓V ref 的溫度系數(shù)和高低溫零溫度系數(shù)點的調(diào)節(jié)作用明顯，從而根據(jù)不同晶體的頻率-溫度特性 調(diào)節(jié)該基準電壓的溫度特性，控制方式簡單，不需要用參數(shù)寫入RAM和PR0M的方式調(diào)芐基準 電壓的溫度系數(shù)，節(jié)省了成本。
【主權(quán)項】
1. 一種用于晶體振蕩器的溫度補償電路，包括啟動電路、可調(diào)的PTAT電流源、可調(diào)的 CTAT電流源、可調(diào)的非線性電流源、電流求和模塊以及可調(diào)的電流-電壓轉(zhuǎn)換器，其特征在 于： 所述啟動電路包括P型MOS管MSI、MS2以及電容Cl;用于在電源上電瞬間，給可調(diào)的PTAT 電流源提供非零的直流工作點，電路啟動完成后，啟動電路關(guān)閉，不消耗電流； MS 1的柵接Va，漏接MS2的柵，源接電源VCC，MS2的柵接MS 1的漏和電容Cl的正端，源接電 源VCC，漏接MNl的柵，電容Cl的負端接地電位； 所述可調(diào)的PTAT電流源包括4個P型MOS管，分別為MPl、MP2、MP3和MP4，4個N型MOS管，分 別為麗1、麗2、麗3和麗4以及m X η個憶阻器組成的憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rml，m> I，η > I; Rml內(nèi)部帶有 擦寫電路，通過控制信號Cont_Rml實現(xiàn)任意阻值，產(chǎn)生大小和一次項系數(shù)不同的PTAT電流； MP1的源接電源VCC，柵和漏以二極管連接的形式接在一起，且接MP3的源和MP2的柵； MP2的源與憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rml的一端相連，漏接MP4的源;MP3和MP4的柵接在一起，漏分別與麗1 和麗2的漏相連，MP3的柵同時還接MP3的漏;MP2的襯底與源端相連消除了襯偏效應(yīng)，MPl、 MP3和MP4的襯底都接電源VCC;憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rml的另一端接電源VCC ;MN1的漏接MP3的漏，源接 MN3的漏，柵接MN2的柵與漏;MN2的漏接MP4的漏，源接MM的漏;MN3和MM的柵相連，且接MN4 的漏，麗3和MM的源都接地電位;麗1、麗2、麗3和MM的襯底都接地電位； 所述可調(diào)的CTAT電流源包括P型MOS管MP5和MP6，N型MOS管MN5、MN6、MN7和MN9,運放OPA 以及mXn個憶阻器組成的憶阻器網(wǎng)絡(luò)12，!11>1，11>1;1^2內(nèi)部帶有擦寫電路，通過控制信號 Cont_Rm2實現(xiàn)任意阻值，產(chǎn)生大小和一次項系數(shù)不同的CTAT電流； MP5的柵漏以二極管形式接在一起，且接運放OPA的同相輸入端，源和襯底接電源VCC; MP6的柵接運放OPA的輸出端，源接運放OPA的反相輸入端，且與憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm2的一端相連； 憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm的另一端與電源VCC相連;MN5和MN6柵分別接MN2和MM的柵，MN5的源接MN6的 漏，漏接MP5的漏，MN6的源接地電位;MN7的柵和漏以二極管連接的形式接在一起，且接MP6 的漏，源接MN9的漏;麗9的柵漏接一起且與麗7的源相連，源接地電位;麗5、麗6、麗7和麗9的 襯底都接地電位； 所述可調(diào)的非線性電流源由Ml~Mk的k個N型MOS管，SWl~SWk的k個選擇開關(guān)以及譯碼 器S組成;在Cont_NL控制下產(chǎn)生大小、一次項系數(shù)、二次項系數(shù)、三次項系數(shù)均不同的非線 性電流； M1~Mk的k個N型MO S管的柵端與各自的源端分別相連，漏端分別與SW1~S Wk的選擇開 關(guān)的一端相連，襯底都與地電位相連;SWl~SWk的k個選擇開關(guān)的另一端接在一起且與MN8 的漏相連;譯碼器S的輸出信號Cont_l~Cont_k*別控制SWl~SWk的開關(guān)，譯碼器的輸入接 控制信號Cont_NL; 所述電流求和模塊包括N型MOS管麗8、麗10、麗11以及麗12;對所述PTAT電流、CTAT電流 以及非線性電流求模，產(chǎn)生對溫度呈三次方函數(shù)的電流； 麗7、MN8、麗9和麗10組成共源共柵電流鏡鏡像CTAT電流，麗8的柵接MN7的柵，源接MNlO 的漏，漏接MNl 1的漏;麗10的柵接麗9的柵，源接地電位；同理，麗2、麗4、麗11和麗12組成共 源共柵電流鏡鏡像PTAT電流，麗11的柵接麗2的柵，源接麗12的漏，麗12的柵接MN4的柵，漏 接MNl 1的源，源接地電位;麗8、麗10、麗11和麗12的襯底都接地電位，同時MN8的漏和麗11的 漏相連，且接非線性電流的輸出端，形成基準電流Irrf; 所述可調(diào)的電流-電壓轉(zhuǎn)換器包括mXn個憶阻器組成的憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm3，憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm3 的一端接電源VCC，另一端接MN8的漏；將電流轉(zhuǎn)換為電壓，該電壓對溫度呈三次方函數(shù)關(guān) 系，用于控制晶體振蕩器中變?nèi)荻O管的容值，補償晶體的振蕩頻率因溫度變化產(chǎn)生的偏 移;憶阻器網(wǎng)絡(luò)R m3內(nèi)部帶有擦寫電路，通過控制信號Cont_Rm3的控制，實現(xiàn)任意阻值，從而 根據(jù)變?nèi)荻O管的特性，調(diào)芐基準電壓V rrf的大小。2. 如權(quán)利要求1所述一種用于晶體振蕩器的溫度補償電路，其特征在于:所述MPl和MP2 工作在亞閾區(qū)，其個數(shù)比為I :N，即MPl由1個單元的MOS管組成，MP2由N個單元的MOS管并聯(lián) 組成，則其寬長比為：（W/L)mpi:(W/L)mp2 = 1:N(N彡2);流過MPl和MP2的電流相等，且都為 PTAT電流，表示為： ΙΡΤΑΤ = α12Τ+α?2Τ2 (6) 其中，Iptat是PTAT電流，αη是PTAT電流的一次項系數(shù)，α12是PTAT電流的二次項系數(shù)。3. 如權(quán)利要求1所述一種用于晶體振蕩器的溫度補償電路，其特征在于:所述P型MOS管 ΜΡ5工作在亞閾區(qū)，用于產(chǎn)生CTAT電壓，該電壓降在憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm2兩端產(chǎn)生CTAT電流，具體 為： IcTAT = ci2iT+a22T2 (7) 其中，Icm是CTAT電流，a21是CTAT電流隨溫度變化的一次項系數(shù)，a22是CTAT電流隨溫度 變化的二次項系數(shù)。4. 如權(quán)利要求1所述一種用于晶體振蕩器的溫度補償電路，其特征在于:所述Ml~Mk的 k個N型MOS管工作在亞閾值區(qū)，其電流是非線性電流，具體為： lMk = Cl3lT+a32T2+a33T3 (9) 其中，IMk是流過MOS管Mk的電流，a31是非線性電流IMk隨溫度變化的一次項系數(shù)，Ct 32是非 線性電流Ifc隨溫度變化的二次項系數(shù)，a33是非線性電流IMk隨溫度變化的三次項系數(shù)。5. 如權(quán)利要求1所述一種用于晶體振蕩器的溫度補償電路，其特征在于:所述譯碼器S 的輸出信號Cont_l~(：〇的_1^在任意時刻只有一個信號有效，從而開關(guān)SWl~SWk在任意時刻 只有一個打開，所以該時刻只有Ml~Mk中的一個MOS管電流可以輸出，形成非線性電流，即： lNL = a3iT+a32T2+a33T3 (11)。6. 如權(quán)利要求1所述一種用于晶體振蕩器的溫度補償電路，其特征在于:最終輸出基準 電壓Vrrf為： Vref = VD『Rm3[ (ail+a21+a31)T+(ai2+a22+a32)T2+a33T3] (13)。
【文檔編號】H03H9/19GK105932976SQ201610353344
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】劉洋, 高寶玲, 徐振濤, 郭睿, 王俊杰, 雷旭, 于奇
【申請人】電子科技大學(xué)