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一种新的适于集成的模拟温度补偿晶体振荡器的设计.pdf

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一种 适于 集成 模拟 温度 补偿 晶体振荡器 设计
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第28卷 第3期2005 年 9 月电 子 器 件C hinese Journal of E lectron D evicesV ol.28 N o.3Sep. 2005NewDesign of ATCXOSuitable for ICLIANG Xun,HUANGXian-he,FAN Yan-hong,TAN feng,LI Min-qiang(School of Automation Engineering, University of Electronic Science tem perature com pensation;ATCXO;in teg ratio nEEACC:1230B;7320R一种新的适于集成的模拟温度补偿晶体振荡器的设计梁 王旬 ,黄显核,樊燕红,谭 峰,黎敏强(电子科技大学自动化工程学院,成都 610054)摘 要:主要提出了一种新型的适于集成的模拟温度补偿晶体振荡器 ( ATCXO)的设计方案,并详细介绍了这种 ATCXO 的构成和补偿原理,它不仅可以很好的改善相位噪声,而且体积小适合于集成,以及批量生产。在移动通信领域,特别是在移动通信手机中可以获得广泛应用。 初步的实验结果表明:经过补偿后的振荡器在温度范围为0℃~+ 70℃ 的频率-温度稳定度可达±1.5×10-6。关键词:振荡器;温度补偿;ATCXO(Anal og Tem perature Com pensation CrystalO scillator);集成中图分类号:TN65 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2005)03-0486-03由于信息的扩充、 低话费等服务方面的扩充使得移动通信(手机)市场的不断扩大,从而使得温度补偿晶体振荡器( TCXO)需求也在增加。这就要求温度补偿晶体振荡器往小型化、 低功耗、 相位噪声特性良好、 量产所需的自动化及低价格化方向发展,现在国内外已经有很多关于温度补偿晶体振荡器方面的研究[1,2],比如近些年来的数字 TCXO(DTCXO),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(这种方法已经应用于一般的移动通信系统),而且,相应的调制特性也会变坏,因此国内手机中广泛的在应用日本的间接模拟温度补偿晶体振荡器[3~ 5],然而目前日本四大通讯公司对这种温补晶振进行垄断生产。本文针对于此提出了设计方案:①采用没有量化噪声的模拟温度补偿;②进行 ONE CHIP LSI后谋求小型化;③采用计算机测量并在线调整固定电阻(不是普通温补中的热敏电阻)流水线,实现温度补偿的自动化[6]。收稿日期:2005-01-20作者简介:梁 王旬 (1982-),女,硕士研究生,研究方向为频率控制技术;黄显核(1965-),男,教授,博士生导师,研究方向为频率控制技术,xi anhehuang@ uestc.edu.cn;樊燕红(1979-),女,硕士研究生,研究方向为频率控制技术;谭 峰(1976-),男,硕士研究生,研究方向为压电石英稳频及选频器件技术研究;黎敏强(1980-),男,硕士研究生,研究方向为频率控制技术。1 新型温补晶体振荡器的原理及构成传统的 TCXO 的温度补偿方法大致分为两种,一种是模拟温度补偿,它的电路简单,相位噪声好,但是由于它包括热敏电阻补偿网络部分,而其中的热敏电阻不适于集成,在小型化上受限制。 另一种是数字式温度补偿,它通过 LSI可以进行小型化,并且易于进行自动温度补偿,但是它需要大容量的PROM 和高分辨率的 D/A 转换器,成本太高;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。而现在TDM A 和 CDM A 等数字通信中,相位噪声特性很受重视。为此本文提出了一种新型的间接模拟温度补偿晶体振荡器。其框图如图1,图2 所示 :图1 TCXO原理框图图2 三次电压发生器电路图(高温部分)这里使用了 ONE CHIP LSI的 TCXO,它由AT 切石英谐振器、 变容二极管及单片 LSI组成。LSI又由温度传感器、 振荡电路以及三次电压发生器组成。 这里的 TCXO 的温度补偿电路部分适于集成,其内部装有模拟方式三次电压发生器回路进行温度补偿,取代了以前使用热敏电阻和电容器的温度补偿方法,其中三次电压发生器又包括三次项和线性项。而这里我们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)。 而在三次电压发生器中设计了三个固定电阻为可调电阻,以满足在晶体的温度特性不一致情况下仍能保证温度补偿自动化的需要。振荡电路部分则是利用 VCXO(VoltageControlledCrys-talO scillator)构成,它有很好的线性电压- 频率特性。由于晶体振荡器的 f - T 特性主要由其应用的晶体谐振器的温度特性决定,在这里的三次电压和AT 切晶体谐振器的 f - T 特性曲线相同,随着周围温度的改变,它把温度传感器的输出电压转变为和 AT 切晶体谐振器 f - T 特性类似的三次电压,这个电压被用于温度补偿电压。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,可以表述如下: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。 VCXO 的线性增益特性可以近似表述如下:f (VC)= - G(VC - VC0)+ f 0 (2)G是VCXO 的增益, VC 是VCXO 的控制电压, VC0是V CXO 的名义输入电压, f 0 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。其中: VH 是高温部分的开启电压, R22为高温部分可变微调电阻。对于晶体管 Q2i(i= 1~4)有:Φ 2i = UTilnIe2i + Is2iIs2iUTilnIe2iIs2i(Iei Isi)(4)其中: UT i=KTq,是温度的函数; Is2i是发射结的饱和电流。由图2 可知:Φ 21 -Φ22 =2(Φ23 -Φ24)(5)把式(1)代入式(2)可得:UT1lnIe21Is21- UT2lnIe2 2Is22=2(UT3lnIe23Is23- UT4lnIe2 4Is24)(6)这里,我们使用了相同的晶体管,则有:lnIe21Ie22=2lnIe23Ie24即: Ie2 2 = Ie21(Ie24Ie23)2(7)在电路图中,见图 3,图 4所示Ie2 1 =Vin - VrefR21Ie23 =VH - VrefR23Ie2 4 =Vin - VrefR24(8)Ie2 2 =(Vin - Vref)R223R21R224(Vin - VrefR21)2(9)784第3期梁王旬,黄显核等:一种新的适于集成的模拟温度补偿晶体振荡器的设计V3H = R22· Ie2 2 + Vref =(Vin - Vref)3(VH - Vref)2 ·R22· R223R21· R224+ Vref =A2(Vin - Vref)3+ Vref (10)图3 三次电压发生器电路图(低温部分)其中: VL 为低温部分开启电压, R12为低温部分可变微调电阻。同理可得低温部分输出电压:V3L = A1(Vin - Vref)3+ Vref (11)则通过如下累加电路后即形成补偿电压 Vc:Vc = Vref -R4R1(V1 - Vref)-R4R2A1 +R4R2A2 (Vin - Vref)3(12)图4 累加电路其中: V1 是线性电路的输出电压,与输入电压Vin 成线性关系的, R1 是线性部分的可变微调电阻。2 实验首先我们对未补偿前的晶振进行温度实验,固定压控电压,测出补偿前的输出频率。 并固定中心频率测出压控电压 VC,即补偿电压,其值见表 1所示。这里,我们用的实验仪器型号如下:频率计或计数器: Hp5334B高低温实验箱:CT6003,精度 0.5℃直流稳压电源:LuYang YB1719数字万用表: DT9202A温度传感器我们选用了美国国家半导体公司产品,型号为: LM 50B,温度范围:- 25~100℃。这种传感器可以直接把温度信号转变为模拟电压信号。其输入输出特性为:VOUT = (10mV/℃)× T(℃)+ 500 m V (13)则利用式(13)可以得出温度传感器的输出电压值,即模拟温度补偿晶体振荡器的输入电压,通过如式(12)的三次函数对输入电压值和输出电压值(补偿电压值)进行曲线拟合,对比确定出式(12)的补偿电压参数后,即可对加入补偿电路的晶体振荡器进行温度实验。3 实验结果这里,由于实验中用到温度传感器及运算放大器温度范围的限制。温度范围取值为0~70℃。初步实验结果如表1所示。△ f /f 0 (0℃~70℃)。为了使结果更直观,并给出了补偿前和补偿后的频率输出比较图,如图 5所示 。图5 补偿结果图(标称频率取 f 0= 10 000,059 Hz)表1 补偿前和补偿后的实验结果温度/(℃)补偿电压/(V )输出频率/ Hz未补偿 经补偿补偿后频偏(H z)0.0 1.733 10 000 021.5 10 000 063.3 4.310.0 1.713 10 000 030.1 10 000 073.7 14.720.0 1.744 10 000 022.8 10 000 072.3 13.330.0 1.812 10 000 001.8 10 000 064.7 5.740.0 1.904 9 999 980.8 10 000 055.3 - 3.750.0 1.956 9 999 965.8 10 000 046.4 - 13.660.0 1.995 9 999 946.7 10 000 044.1 - 14.970.0 1.972 9 999 951.4 10 000 063.2 4.24 结束语通过实验结果可以看出,经过补偿后,振荡器的频率- 温度稳定性要比未经补偿的好得多,可达到±1.5×10-6以内。 振荡器的频率- 温度特性得到了很大的改善。 (下转第493页)884 电 子 器 件 第28卷
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