帶溫度補(bǔ)償?shù)母咝阅茈妷嚎刂凭w振蕩器電路的制作方法
【專利摘要】一款高線性度、低相位噪聲帶溫度補(bǔ)償?shù)母咝阅茈妷嚎刂凭w振蕩器電路。包括電壓控制晶體振蕩器、低壓差線性穩(wěn)壓器、電流鏡、振蕩器偏置電流修調(diào)網(wǎng)絡(luò)、溫度補(bǔ)償模塊。本發(fā)明中可變電容采用新型結(jié)構(gòu)，使得電壓控制晶體振蕩器VCXO的電壓?頻率特性具有較高的線性度。振蕩器偏置電流修調(diào)網(wǎng)絡(luò)可適當(dāng)調(diào)節(jié)振蕩器的偏置電流，得到最小相位噪聲的輸出頻率。溫度補(bǔ)償模塊補(bǔ)償VCXO的溫度偏移，使得VCXO的電壓?頻率特性曲線在不同的溫度下重合。發(fā)明的高線性度、低相位噪聲帶溫度補(bǔ)償?shù)母咝阅茈妷嚎刂凭w振蕩器可用在高精度溫度補(bǔ)償晶體振蕩器中。
【專利說明】
帶溫度補(bǔ)償?shù)母咝阅茈妷嚎刂凭w振蕩器電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種帶溫度補(bǔ)償?shù)母呔€性、低相位噪聲的電 壓控制晶體振蕩器電路。該電路應(yīng)用于溫度補(bǔ)償晶體振蕩器中，可提高頻率穩(wěn)定度、降低相 位噪聲。
【背景技術(shù)】
[0002] 溫度補(bǔ)償晶體振蕩器作為高穩(wěn)定度的頻率源廣泛應(yīng)用于各類便攜式電子產(chǎn)品，軍 用無線電設(shè)備，航空航天等定時(shí)、定位設(shè)備中。國內(nèi)對于溫度補(bǔ)償晶體振蕩器的研究還處于 初級階段，和國外存在較大差距。開展對溫度補(bǔ)償晶體振蕩器的研究有助于打破國外壟斷， 推動(dòng)國內(nèi)精密頻率源的發(fā)展。
[0003] 典型的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。溫度傳感器產(chǎn)生和溫度成線性關(guān) 系的電壓。補(bǔ)償電壓產(chǎn)生模塊產(chǎn)生近似Ξ階補(bǔ)償電壓。帶溫度補(bǔ)償?shù)碾妷嚎刂凭w振蕩器 VCX0產(chǎn)生和控制電壓成線性關(guān)系的振蕩頻率。溫度傳感器電路、補(bǔ)償電壓產(chǎn)生電路和帶溫 度補(bǔ)償?shù)腣CX0電路都需要進(jìn)行修調(diào)，所W需要EEPR0M。
[0004] AT切石英晶體的頻率-溫度特性可近似用Ξ階多項(xiàng)式來表示：
[0005]
。）
[0006] 其中Δf(T)=f(T)-fo，f(T)代表在溫度T時(shí)的振蕩頻率，fo代表在溫度To時(shí)的振蕩 頻率。A3和Ai代表和切角有關(guān)的多項(xiàng)式系數(shù)，To代表轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度。
[0007] 帶溫度補(bǔ)償?shù)腣巧0的特性可W表示為：
[000引
（2)
[0009] 其中 Af(VC)=f(VC)-f(VC〇)，AVC = VC-VC〇，a是VCX0的增益，VC是VCX0的控制電 壓，VCo是中屯、點(diǎn)電壓。A VC和溫度T之間的關(guān)系可W表示為：
[0010] AVC(T)=B3(T-T〇)3+Bi(T-T〇) (3)
[ocm]其中Β3 = -Α3/α，Βι = -Αι/α。所W溫度補(bǔ)償晶體振蕩器要輸出高穩(wěn)定度的振蕩頻 率，VCX0的電壓-頻率特性必須具有非常高的線性度，且VCX0的增益α不能隨溫度變化。而且 VCX0的相位噪聲直接影響溫度補(bǔ)償晶體振蕩器的相位噪聲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的目的在于提供一種高線性度、低相位噪聲的帶溫度補(bǔ)償?shù)碾妷嚎刂凭w 振蕩器電路，W解決上述技術(shù)問題。
[0013] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0014] -種高線性度、低相位噪聲、帶溫度補(bǔ)償?shù)碾妷嚎刂凭w振蕩器電路，包括低壓差 線性穩(wěn)壓器模塊、電流鏡模塊、電壓控制晶體振蕩器模塊、振蕩電流修調(diào)模塊、調(diào)諧電容網(wǎng) 絡(luò)和溫度補(bǔ)償模塊，如圖2所示。
[0015] 電壓控制晶體振蕩器模塊接電流鏡模塊和溫度補(bǔ)償模塊。低壓差線性穩(wěn)壓器模塊 產(chǎn)生高穩(wěn)定度、低噪聲的電壓，該電壓作為整個(gè)電壓控制晶體振蕩器的電源電壓。電流修調(diào) 網(wǎng)絡(luò)接電流鏡模塊，提供振蕩器的偏置電流。
[0016] 振蕩電流修調(diào)電路由屯個(gè)電流支路組成，如圖3所示。參考電流源Iref的一端接 VDD，另一端接Q0的集電極和MC的柵極。Q0的基極接MC的源極，MC的漏極接電源VDDdQO的發(fā) 射極接電阻R0，R0的另一端接地。Q0和R0的串聯(lián)可W提高電流鏡復(fù)制電流的精度。Q0的基極 電壓作為電流鏡的偏置電壓。Q1和R1串聯(lián)，R1的另一端接地，Q1的基極接Q0的基極。M0、MN0 作為M0S開關(guān)，控制電壓分別為Do、:^，由邸PROM產(chǎn)生。MO的漏極接Q0的基極，MO的源極接Q2 的基極。后面的四條電流支路和Q2所在的支路結(jié)構(gòu)相同。Q1的集電極、Q2的集電極、Q6的集 電極等等接在一起。
[0017] 調(diào)諧電容網(wǎng)絡(luò)包括固定電容、修調(diào)電容和可變電容，如圖4所示。固定電容的一端 接地，另一端和可變電容、修調(diào)電容連接。修調(diào)電容由六個(gè)支路組成，每個(gè)支路具有相同的 結(jié)構(gòu)。電容CbankN(N=0，l. . .5)和M0S開關(guān)DN(N=0，1. . .5)串聯(lián)?？勺冸娙軲C的源極和固定電 容、修調(diào)電容連接，MC的漏極開路，MC的柵極接控制電壓VC。圖5是可變電容的等效電路。
[001引在沒有溫度補(bǔ)償?shù)那闆r下，VCX0的電壓-頻率特性隨溫度變化，如圖6所示。增加溫 度補(bǔ)償電路可W改善V巧0的溫度特性。溫度補(bǔ)償電路如圖6所示。Vrc為參考電壓，VC/為控制 電壓，Vt-to為溫度傳感器的輸出電壓。Vc_ouT為溫度補(bǔ)償電路的輸出電壓，接到可變電容的柵 極。
[0019] 本發(fā)明采用的可變電容為一種新型可變電容，由漏極斷路的M0S管實(shí)現(xiàn)，利用該可 變電容制作的VCX0的電壓-頻率特性具有極高的線性度。本發(fā)明為常用的VCX0電路增加振 蕩電流修調(diào)模塊，可W適當(dāng)調(diào)節(jié)振蕩電流，得到相位噪聲最小的輸出頻率。本發(fā)明為常用的 VCX0電路增加溫度補(bǔ)償模塊，可W改善VCX0的溫度特性，使得該VCX0非常適合應(yīng)用于高穩(wěn) 定度的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器中。
【附圖說明】
[0020] 圖1為溫度補(bǔ)償晶體振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ]圖2為帶溫度補(bǔ)償?shù)母咝阅躒巧0結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖3為振蕩器振蕩電流修調(diào)電路；
[0023] 圖4為調(diào)諧電容網(wǎng)絡(luò)；
[0024] 圖5為可變電容的等效電路；
[0025] 圖6為不同溫度下V巧0的電壓-頻率特性；
[0026] 圖7為V巧0的溫度補(bǔ)償電路；
[0027] 圖8為帶補(bǔ)償電路的V巧0的電壓-頻率特性；
【具體實(shí)施方式】
[002引本發(fā)明是一款高線性度、低相位噪聲帶有溫度補(bǔ)償?shù)碾妷嚎刂凭w振蕩器。利用 該電路可W產(chǎn)生低相位噪聲的輸出頻率，該VCX0的電壓-頻率特性具有極高的線性度，且不 隨溫度而變化。
[0029] 請參閱圖2,低壓差線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生高穩(wěn)定度的電壓作為該VCX0的電源電壓。電流 鏡模塊作為連接電流修調(diào)網(wǎng)絡(luò)和電壓控制晶體振蕩器的橋梁，使得振蕩器的偏置電流由電 流修調(diào)網(wǎng)絡(luò)控制。工作時(shí)，設(shè)置適當(dāng)?shù)钠秒娏?，可W得到最佳的振蕩幅度，進(jìn)而使得振蕩 器輸出頻率的相位噪聲最小。溫度補(bǔ)償模塊可W補(bǔ)償電壓控制晶體振蕩器的電壓-頻率特 性隨溫度變化的情況。
[0030] 具體的振蕩器振蕩電流修調(diào)電路如圖3所示。參考電流源Iref的一端接VDD，另一 端接Q0的集電極和MC的柵極。Q0的基極接MC的源極，MC的漏極接電源VDD。Q0的發(fā)射極接電 阻R0，R0的另一端接地。Q0和R0的串聯(lián)可W提高電流鏡復(fù)制電流的精度。Q0的基極電壓作為 電流鏡的偏置電壓。后面Q1、Q2. . .Q6所在的支路和Q0所在的支路組成電流鏡結(jié)構(gòu)。Q1、 Q2. . .Q6的集電極接在一起，輸出電流為流過運(yùn)六條支路的電流和。Miα =0,1. . .4)和MNi 作為MOS開關(guān)，柵極控制電壓Do、瓦的相位相反。柵極控制電壓的極性可W通過邸PROM控制。 當(dāng)不同的開關(guān)打開時(shí)，輸出的總電流Ibias不同。通過控制振蕩器偏置電流的大小，可W得 到相位噪聲最小的輸出頻率。
[0031] 調(diào)諧電容網(wǎng)絡(luò)如圖4所示，包括固定電容、修調(diào)電容和可變電容。固定電容的一端 接地，另一端和可變電容、修調(diào)電容連接。修調(diào)電容由六個(gè)支路組成，每個(gè)支路具有相同的 結(jié)構(gòu)。電容CbankN(N = 0，l. . .5)和M0S開關(guān)DN(N = 0，1. . .5)串聯(lián)。M0S開關(guān)的柵極電壓由 邸PROM控制。當(dāng)接入電路中修調(diào)電容的個(gè)數(shù)不同時(shí)，振蕩器的輸出頻率也不同?？勺冸娙軲C 的源極和固定電容、修調(diào)電容連接，MC的漏極開路，MC的柵極接控制電壓Vc?？勺冸娙菘傻?效成一個(gè)對地的電容，控制端不接到振蕩電路中，如圖5所示。隨著控制電壓Vc的升高，可變 電容MC的電容值增大，振蕩頻率下降。
[0032] 參閱圖6,在控制電壓相同的情況下，溫度越低頻率越高;在溫度相同的情況下，控 審IJ電壓越高頻率越低。所W可W考慮對控制電壓Vc進(jìn)行整形，當(dāng)溫度降低時(shí)，VCX0的直接控 制電壓升高。運(yùn)樣就可W實(shí)現(xiàn)VCX0在整個(gè)溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出相同的電壓-頻率特性。具體的 理論分析如圖6所示。圖6中的兩條斜線分別是溫度T1和溫度T2時(shí)的電壓-頻率特性曲線，且 Τ2>Τ1。在電壓為VC/時(shí)，兩個(gè)溫度下的頻率分別為η和f2,定義運(yùn)兩個(gè)溫度的變化為ΔΤ = Τ2-Τ1，頻率變化為A f = f 2-f 1，那么單位溫度下的頻率變化可W表示為
[0033]
(4)
[0034] 其中Af<〇, ΔΤ>0,所WK1為負(fù)值。單位電壓下的頻率變化可W表示為：
[0035]
(5)
[00%] 其中，Δ f/ <0, Δ VC^〉0,所WK2也為負(fù)值。要實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償,化須有Δ f = - Δ f',
即：
[0037]
[003引整理，可得；
[0039]
(7)
[0040] 其中Kc是負(fù)值，代表VCX0溫度補(bǔ)償?shù)碾妷合禂?shù)。
[0041 ] V巧0的溫度補(bǔ)償電路如圖7所示，則可W得到輸出電壓Vcj]uT的表達(dá)式：
[0042]
[0043] Vc_ouT是VCXO的直接控制電壓。由式(8)可W看出Vc_ouT和溫度Τ成線性關(guān)系。通過合 理設(shè)置電阻R1、R2、R3和R4的值可W得到合適的一次項(xiàng)系數(shù)。增加溫度補(bǔ)償模塊之后，VCX0 的電壓-頻率特性在不同溫度下的結(jié)果如圖8所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高線性度、低相位噪聲帶溫度補(bǔ)償?shù)母咝阅茈妷嚎刂凭w振蕩器電路。其特征 在于包括低壓差線性穩(wěn)壓器電路、電流鏡電路、振蕩器偏置電流修調(diào)網(wǎng)絡(luò)、電壓控制晶體振 蕩器和溫度補(bǔ)償電路。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高線性度、低相位噪聲帶溫度補(bǔ)償?shù)母咝阅茈妷嚎刂凭?體振蕩器電路。其特征在于，利用低壓差線性穩(wěn)壓器的輸出電壓作為振蕩器的電源電壓，可 以降低振蕩器輸出頻率的相位噪聲。3. 根據(jù)權(quán)利要求1高線性度、低相位噪聲帶溫度補(bǔ)償?shù)母咝阅茈妷嚎刂凭w振蕩器電 路。其特征在于，利用電流修調(diào)網(wǎng)絡(luò)和電流鏡結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)電壓控制晶體振蕩器的偏置電流，使 得振蕩幅度最優(yōu)，相位噪聲最小。電流修調(diào)網(wǎng)絡(luò)的輸出電流和電壓控制晶體振蕩器的偏置 電流通過電流鏡相連，兩個(gè)支路的電流成倍數(shù)關(guān)系。4. 根據(jù)權(quán)利要求1高線性度、低相位噪聲帶溫度補(bǔ)償?shù)母咝阅茈妷嚎刂凭w振蕩器電 路。其特征在于，電壓控制晶體振蕩器的可變電容采用新型可變電容。電壓控制晶體振蕩器 的電壓-頻率特性具有極高的線性度。5. 根據(jù)權(quán)利要求1高線性度、低相位噪聲帶溫度補(bǔ)償?shù)母咝阅茈妷嚎刂凭w振蕩器電 路。其特征在于，增加溫度補(bǔ)償模塊可以改善電壓控制晶體振蕩器的電壓-頻率特性隨溫度 的變化。 控制電壓Vrc由基準(zhǔn)電路產(chǎn)生的參考電壓，通過R3接到運(yùn)放的負(fù)輸入端。R4接在運(yùn)放的 負(fù)輸入端和輸出端?？刂齐妷篤C/通過R1接到運(yùn)放的正輸入端。溫度傳感器的輸出電壓Vt-to 通過電阻R2接到運(yùn)放的正輸入端。
【文檔編號】H03B5/04GK106059498SQ201610443932
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】李國峰, 林長龍, 郭振義, 徐華超, 孫欣茁, 陳瑤, 孟祥剛, 王郁杰
【申請人】南開大學(xué)