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一种高精度温度补偿晶体振荡器的算法研究及电路实现

徐磊  
【摘要】:近年来,无线通讯设备以及便携式电子产品已经深入到人们生活的方方面面,对频率源提出了稳定度更高、功耗更低、集成度更高的要求。温度补偿晶体振荡器(TCXO)作为目前应用最为广泛的频率源,其市场需求正在迅速扩大。然而在这个领域的研究上我国与国外先进水平存在较大差距,国内温补晶振市场基本上被国外厂商所垄断。因此,对高性能温度补偿晶体振荡器的研究具有非常重要的现实意义。 本论文系统阐述了温度补偿晶体振荡器的基本原理和实现方法:从石英晶体基本特性和模型入手,对石英晶体的频率—温度特性、晶体振荡器的工作原理以及电路设计中的一些关键技术进行了详细介绍;并针对已有的一种间接模拟补偿算法进行了改进,利用关于温度呈五次多项式的函数来模拟石英晶体的频率—温度特性,通过模拟温度补偿电路产生一个与温度变化呈五次方的补偿电压,对VCXO的频率偏移进行补偿,并以此为依据设计了一款温度补偿晶体振荡器(TCXO)芯片。芯片子模块有带隙基准电路、五次方补偿电压产生电路、修调电路、VCXO电路。其中,基准电路采用共源共栅结构,有效提高了基准电压的PSRR。五次方补偿电压产生电路利用差分放大器输出电流和输入电压的关系产生一个与温度呈五次方的电压,对石英晶体的频率—温度特性进行补偿,实现高稳定度的频率输出。针对具体晶体的切角偏差以及不同规格石英晶体模型参数的不同,芯片设计了修调电路对五次方电压各项系数、中心点电压、VCXO偏置电流、基准电压等参数进行调整。各参数的修调数据存储在内部集成的EEPROM内,可通过数字控制逻辑对芯片EEPROM进行重新配置。 论文基于0.35μm BiCMOS工艺,在Cadence集成环境下完成了芯片各个关键子模块及整体电路的原理图、版图的设计与验证。芯片正常工作电压范围支持2.7~5.5V,温度范围为-45~85℃,1ms即可完成起振产生稳定的输出频率,版图面积为2×2.03mm,目前正在流片验证中。


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