一种模拟温度补偿晶体振荡器制造技术

一种温度补偿晶体振荡，包括温度传感器、补偿电压发生器和压控晶体振荡器三个部分。补偿电压发生器将温度传感器输出的随温度变化的模拟电压信号转变为补偿电压信号；压控晶体振荡器在温度补偿电压的作用下输出稳定的频率信号。所述补偿电压发生器为一种三次电压发生器，由高温部分、低温部分、线性部分和电压累加电路等四个电路单元组成，前三个电路分别产生高温段、低温段和线性段的补偿电压；将这三个电压信号经电压累加电路叠加在一起，就成为整个压控晶体振荡器的温度补偿电压，该温度补偿电压还能够根据压控晶体振荡器不同的频率特性进行调整。该振荡器具有电路简单、体积小、成本低和适于低集成度的批量生产等优点，尤其适用于移动通信领域中作为移动电话信道频率的基准。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子
，它特别涉及一种温度补偿晶体振荡器。
技术介绍
温度补偿晶体振荡器(TCXO)是一种能在较宽的温度范围内工作且频率稳定性较高的频率发生器，它主要通过自身温度补偿系统来进行自动调节，以达到稳定频率的目的。它不仅体积小，而且具有高稳定性，应用领域日益扩展，可以应用在广播、测量、移动通信基地站以及移动电话手机和PHS等诸多领域。尤其在移动通信领域，主要作为移动电话信道频率的基准，已获得了广泛应用。由于AT切石英晶体谐振器的频率特性曲线为近似三次曲线，而晶体振荡器的f-T特性主要由其中的晶体谐振器的温度特性决定，所以未进行温度补偿时的TCXO(温度补偿晶体振荡器)的温度特性曲线也近似为三次曲线。因此需要产生温度补偿电压加在VCXO上进行温度补偿以抵消此频率温度特性，从而得到在较宽温度范围内的稳定的频率输出。目前，在TCXO中，温度补偿方法主要有模拟式(热敏电阻网络控制变容二极管，如图1)和数字式，其中模拟式基本上已经成熟，它是通过热敏电阻等温度敏感器件构成温度-电压变换电路，将该电压施加在与晶体振子串联的变容二极管上，利用晶体振子的串联电容的电容量变化对温度进行补偿。但是为使热敏电阻和电容器的电抗与不同石英晶振器的温度特性一致，必须进行选配，所以需对电阻、电容进行分类、更换，难以对温度补偿进行自动调整，并且IC化困难，在小型化上受限制而且人工成本太高。数字式温度补偿晶体振荡器(如图2所示)的方法是通过微处理器输出补偿电压，再把该补偿电压送给振荡回路中的变容器件，当补偿电压改变，变容器件的电容值随之改变从而改变振荡器的输出频率达到控制频率的目的，但是当其用于振荡器基准相位调制的设计时会出现潜在的相位跳变现象，而且，相应的调制特性也会变坏，另外，在数字温度补偿电压中产生数字特有的量化噪声，在TCXO的输出频率中作为相位噪声表现出来。然而在TDMA和CDMA等数字通信中，相位噪声特性很受重视。(图1出自赵声衡著，湖南大学出版社，《石英晶体振荡器》；图2出自《仪器仪表学报》2002年10月第23卷第5期增刊《新型微机补偿晶体振荡器》)。目前国内手机中大量应用的是日本Toyo Communication Equipment Co.Ltd生产的TCXO，它是一种间接的模拟温度补偿晶体振荡器。(参考论文Kenji Nemoto，Ken ichi Sato于2001年在Proceedings of the IEEEInternational Frequency Control上发表的《A 2.5PPM FULLY INTEGRATED CMOS ANALOGTCXO》)。由于目前日本四大通讯公司对这种温补晶振进行垄断生产，实行技术封锁，而目前国内仍然没有一个企业生产出相关产品来满足手机通信中的需求，而是大量的采用了进口日本的这种TCXO芯片，其框图如图3所示，它由温度传感器、电压参考、补偿、三次电压发生器、三个系数控制器(BOCTR、B1CTR和B3CTR)累加器、存储器EEPROM、压控晶体振荡器VCXO和自动频率牵引AFC组成。由于其结构复杂，进行大规模电路集成，成本较高。
技术实现思路
本专利技术基于日本生产的TCXO(见论文Kenji Nemoto，Ken ichi Sato于2001年在Proceedings of the IEEE International Frequency Control上发表的《A 2.5PPM FULLYINTEGRATED CMOS ANALOG TCXO》)而提出的一种适于集成和批量生产的一种温度补偿晶体振荡器。本专利技术采用模拟电路来实现TCXO，而舍去日本产品中的EEPROM等一些数字器件部分，只由温度传感器、三次电压发生器和VCXO部分组成，且电路结构简单，易于集成，能够大大减小体积并降低成本。如图4所示，一种模拟温度补偿晶体振荡器，包括温度传感器、补偿电压发生器和压控晶体振荡器三个部分。温度传感器部分是将环境温度值转化为电压信号的装置，其作用是产生随温度变化的模拟电压信号；补偿电压发生器是将温度传感器输出的电压信号转变为补偿电压信号的装置。将温度传感器输出的随温度变化的模拟电压信号输入补偿电压发生器，补偿电压发生器将模拟电压信号进行转换，所产生的输出信号就是温度补偿电压；压控晶体振荡器在温度补偿电压的作用下输出所期望得到的稳定的频率信号。本专利技术中所述的补偿电压发生器为一种三次电压发生器，如图5所示。它由高温部分、低温部分、线性部分和电压累加电路四个电路单元组成，高温部分、低温部分和线性部分分别产生高温段补偿电压、低温段补偿电压和线性段补偿电压；将这三个电压信号经电压累加电路叠加在一起，就成为整个压控晶体振荡器的温度补偿电压。将温度补偿电压输入到压控晶体振荡器，最后压控晶体振荡器就可以得到期望获得的已补偿后的稳定的频率信号，从而达到温度补偿的目的。由于采用了能够随着输入温度的变化而输出电压的温度传感器，这样温度传感器的输出电压通过三次电压发生器被转换成三次电压(温度补偿电压)。由于不同的压控晶体振荡器的温度-频率特性并不相同，即便是同一批次生产出来的压控晶体振荡器，其温度-频率特性仍然有所差异，因此用于补偿的温度补偿电压也会由于不同，这就需要三次电压转换电路具有调整功能，即三次电压转换电路能够随压控晶体振荡器不同的频率特性进行调整，以产生不同的温度补偿电压。利用三次电压发生器进行晶体振荡器温度补偿的原理如下因为AT切石英晶体的温度特性曲线可以很好的近似为一个三次曲线，可以表述为f(T)＝a3(T-T0)3+a1(T-T0)+a0(1)这里a3是三次系数项，a1是一次系数项，a0是T0时的振荡频率，T0是参考温度。而VCXO的线性增益特性可以近似表述如下f(VC)＝-G(VC-VC0)+f0(2)G是VCXO的增益，VC是VCXO的控制电压，VC0是VCXO的名义输入电压，f0是输入为VC0时的振荡频率。那么，作为补偿晶振温度特性的电压VC(T)的方程式可以表述为VC(T)＝A3(T-T0)3+A1(T-T0)+A0(3)此时，A3＝a3/G，A1＝a1/G。为了实现方程式(3)，必须先实现三次电压发生器。本专利技术利用对数指数电路来实现电压的三次方转换。其基本框图如图6所示。温度传感器输出电压通过两个三次电压转变电路和线性电压转变电路，产生出三次电压和线性项电压。最后，每个输出电压通过累加电路进行求和。这样就得到随着温度变化的温度补偿电压。下面详细解释三次电压转变电路。三次电压转变电路包括三个对数放大器，一个两倍增益放大器和一个指数放大器。从图3可知，由温度传感器转换而来的电压Vin分别输入到对数放大器1和对数放大器2中，而对数放大器2和对数放大器3的输出电压相减的两倍，然后与对数放大器1的输出电压相加，其结果输入到指数放大器中，最后就可以得到三次电压，在该电路图中，输出电压应该只是随着由温度传感器传来的输入电压而改变。三次电压发生器的高温、低温部分具体电路图分别如图7、图8所示。其中，三次电压转变电路高温部分的具体电路为对数放大器1由电阻R21、运算放大器AMP.21和晶体管Q21组成；对数放大器2由电阻R24、运算放大器AMP.22和晶体管Q24组成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟温度补偿晶体振荡器，包括温度传感器、补偿电压发生器和压控晶体振荡器，所述温度传感器产生随温度变化的模拟电压信号，该信号经所述补偿电压发生器转换为温度补偿电压并输入压控晶体振荡器，所述压控晶体振荡器在温度补偿电压的作用下输出稳定的频率信号，其特征是，所述补偿电压发生器为一种三次电压发生器，由由高温部分、低温部分、线性部分和电压累加电路等四个电路单元组成，高温部分、低温部分和线性部分分别产生高温段补偿电压、低温段补偿电压和线性段补偿电压；这三个电压信号经电压累加电路叠加在一起，就成为整个压控晶体振荡器的温度补偿电压。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄显核，梁珣，付玮，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]