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高阶温度补偿晶体振荡器设计

王宏兴  
【摘要】:随着电子产业的不断发展进步,电子产品越来越多的出现在我们生活的每个角落,并且其功能越来越丰富,随着产品功能的逐渐完善,人们将目光转向了产品的性能。产品的性能与很多因素息息相关,但是对于电子产品来说,频率源的好坏对于产品性能至关重要。目前晶体振荡器是最主要的频率产生器件,但是其存在的一个问题是其频率受到温度的影响,因此,如果将其应用于温度变化较大的环境中时,其可能会出现较大的误差,为了使晶体振荡器输出频率可以获取更好的温度特性,本文对晶体振荡器的温度频率特性进行研究,并据此研究设计电路来提高其频率温度特性,本文的主要工作如下:1.通过对晶体进行分析建模,对比了不同切型晶体的温度频率特性,主要分析了AT切与SC切晶体的温度特性,根据其两者的基本特性,最终选择使用AT切晶体来实现振荡器电路的设计。2.通过对比多种提高晶体温度频率特性的方式及补偿方法,最终选择使用模拟温度补偿的方式来实现温度补偿。3.通过采用负阻分析法对晶体振荡原理进行分析,并采用乘法器结构设计了一款具有高阶温度补偿的高精度晶体振荡器。提出了一种创新的可修调带隙基准电路结构,使其在三极管的电流增益较小时依然可以达到更高的精度,并实现了片上温度的采集与保护功能;基于晶振的应用设计了一款零温度电流产生电路,使得晶振在温度变化较大应用环境时保持功耗相对稳定,并确保电路工作的一致性;提出了一种基于共模反馈调节方式的振荡器结构,在降低芯片面积的同时确保了输出频率的稳定性;采用了一种基于共模反馈结构的模拟乘法器温度补偿结构,获得了更加精确的补偿电压。本文基于0.35μm BCD工艺绘制了温度补偿晶体振荡器各个模块及整体版图,并在Cadence集成环境下完成对电路的各个模块和整体电路的后仿真分析,仿真结果表明在供电电压为3.3V~5V之间,输出频率设定为13.56MHz时,本电路结构可实现在-40℃~80℃的温度区间晶体振荡器的频率精度可达到±2.5ppm。


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