文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.01.020
中文引用格式: 孫婧瑤,何宇,李雪梅. 一種針對(duì)RTC應(yīng)用的數(shù)字溫度補(bǔ)償晶體振蕩器[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(1):77-80.
英文引用格式: Sun Jingyao,He Yu,Li Xuemei. A digital temperature compensated crystal oscillator of real-time clock application[J].Application of Electronic Technique,2017,43(1):77-80.
0 引言
數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)需要時(shí)鐘信號(hào),隨著集成電路的發(fā)展,對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的精度和穩(wěn)定度的要求越來(lái)越高。時(shí)鐘信號(hào)由振蕩電路產(chǎn)生,傳統(tǒng)的RC振蕩器不能滿足現(xiàn)代集成電路發(fā)展的需求,而石英晶體振蕩器有較高的品質(zhì)因數(shù)Q,負(fù)載電容和其他因素對(duì)其輸出的時(shí)鐘信號(hào)的影響較小,因此數(shù)十年來(lái)廣泛應(yīng)用于數(shù)碼產(chǎn)品、智能設(shè)備、生物技術(shù)、微控制系統(tǒng)等高科技領(lǐng)域。石英晶體振蕩器分為普通晶體振蕩器(PXO)、電壓控制晶體振蕩器(VCXO)、溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)、高精度恒溫控制晶體振蕩器(OCXO)和低相噪晶體振蕩器[1]。其中溫度補(bǔ)償晶體振蕩器又分為模擬溫度補(bǔ)償晶體振蕩器ATCXO和數(shù)字溫度補(bǔ)償晶體振蕩器DTCXO。本文介紹的是針對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC應(yīng)用的數(shù)字溫度補(bǔ)償晶體振蕩器DTCXO。
1 數(shù)字溫度補(bǔ)償晶體振蕩器DTCXO
數(shù)字溫度補(bǔ)償晶體振蕩器DTCXO主要借助A/D、D/A轉(zhuǎn)換器及存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn),原理圖如圖1所示[2]。其工作原理如下:溫度傳感器感應(yīng)外界溫度變化,由A/D轉(zhuǎn)換器將模擬溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字溫度信號(hào)傳給PROM,PROM中存儲(chǔ)著對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式,將該溫度下變?nèi)荻O管的值與晶體匹配,以穩(wěn)定輸出頻率,保證輸出頻率的精確度和穩(wěn)定度。
本文介紹的數(shù)字溫度補(bǔ)償晶體振蕩器DTCXO是基于以上結(jié)構(gòu)的變形,即將變?nèi)荻O管變成數(shù)字控制電容陣列,PROM計(jì)算結(jié)果直接控制電容陣列開關(guān),調(diào)節(jié)與振蕩器串聯(lián)的電容的大小,達(dá)到穩(wěn)定輸出頻率的作用,原理如圖2所示。
其中,測(cè)溫電路采用帶隙溫感電路,A/D轉(zhuǎn)換器采用SAR ADC電路,PROM具體為EEPROM,振蕩電路為皮爾斯振蕩器電路,晶體采用音叉晶體。
2 測(cè)溫電路
2.1 帶隙溫感電路
帶隙溫感電路采用測(cè)溫電路與帶隙基準(zhǔn)電路相結(jié)合[3],如圖3所示,利用帶隙基準(zhǔn)中產(chǎn)生的正溫度系數(shù)電壓,對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量。
在帶隙電路中,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正溫度系數(shù)電壓,主要原理是,如果兩個(gè)雙極晶體管工作在不相等的電流密度下,那么它們的基極-發(fā)射級(jí)電壓的差值就與絕對(duì)溫度成正比,式(1)為:
其中n為流過(guò)兩個(gè)雙極晶體管的電流的比值[4]。
圖中運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端是虛短的,即Va=Vb,推導(dǎo)過(guò)程如式(2)~式(7)所示:
式(4)看出,Ia與溫度成正比,經(jīng)推導(dǎo),式(7)所示Iab亦為PTAT電流,經(jīng)過(guò)電流鏡鏡像在左邊支路與電阻串聯(lián)形成PTAT電壓。
2.2 SAR ADC
經(jīng)溫感電路得到模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)9位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器SAR ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),SAR ADC的結(jié)構(gòu)如圖4所示,其中逐次逼近單元采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn),其他電路采用模擬電路實(shí)現(xiàn)。SAR ADC采用參考信號(hào)與輸入信號(hào)比較,根據(jù)每個(gè)周期的比較結(jié)果改變參考電壓的大小,經(jīng)過(guò)9個(gè)周期,參考信號(hào)與輸入信號(hào)越來(lái)越接近,逐次逼近寄存器最后一個(gè)周期輸出的數(shù)字信號(hào)即為SAR ADC的輸出[5]。
3 數(shù)字補(bǔ)償電路
數(shù)字補(bǔ)償電路如圖2所示,由EEPRO、緩沖器、運(yùn)算器、選通器和譯碼器組成。數(shù)字補(bǔ)償電路采用數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)方法,主要專注于時(shí)序和算法的設(shè)計(jì)。
3.1 EEPROM
溫度信號(hào)通過(guò)測(cè)溫電路和SAR ADC傳給EEPROM,EEPROM中存儲(chǔ)著128個(gè)11位信號(hào),存儲(chǔ)內(nèi)容為TCXO的溫度特性曲線數(shù)據(jù),根據(jù)輸入溫度信號(hào)的大小計(jì)算對(duì)應(yīng)的振蕩器負(fù)載電容容差值。EEPROM具有2種訪問模式:測(cè)溫過(guò)程中的正常讀寫和通過(guò)非標(biāo)準(zhǔn)I2C指令讀寫。非標(biāo)準(zhǔn)I2C指令讀寫,可以通過(guò)I2C總線對(duì)EEPROM進(jìn)行寫操作,即提供了在芯片制作過(guò)程中對(duì)EEPROM數(shù)據(jù)進(jìn)行寫入和更改的選擇。非標(biāo)準(zhǔn)I2C指令讀寫可以連續(xù)寫入也可以分段寫入。
3.2 運(yùn)算器
由于電路中ADC為9位精度,能夠產(chǎn)生512個(gè)溫度值,而EEPROM中只針對(duì)其中128個(gè)溫度值存儲(chǔ)了128個(gè)補(bǔ)償電容值,遠(yuǎn)小于ADC精度,因此,運(yùn)算器的主要功能是對(duì)從EEPROM輸入的11位數(shù)據(jù)進(jìn)行插值運(yùn)算,每2個(gè)數(shù)據(jù)中間插入3個(gè)數(shù)據(jù),使其從128個(gè)數(shù)據(jù)增加到512個(gè)數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)與9位ADC溫度輸出一一對(duì)應(yīng),增加控制精度。
具體過(guò)程為:如果測(cè)量溫度值的低2位是2′b00,則2個(gè)緩存器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)均為以測(cè)量溫度高7位為地址對(duì)應(yīng)的EEPROM數(shù)據(jù),此時(shí)運(yùn)算器的輸出等于緩存器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù);如果測(cè)量溫度值的低2位不是2′b00,則緩存器1中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為以測(cè)量溫度的高7位為地址的EEPROM數(shù)據(jù),緩存器2中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為以測(cè)量溫度的高7位+1為地址的EEPROM數(shù)據(jù),運(yùn)算器輸出為這兩個(gè)值之間的插值運(yùn)算結(jié)果。具體運(yùn)算見表1所示。
3.3 選通器
OSC電容控制信號(hào)有3個(gè)來(lái)源:正常模式時(shí)來(lái)自運(yùn)算器輸出;測(cè)試模式時(shí)來(lái)自內(nèi)部寄存器;總線模式時(shí)來(lái)自I2C端口。選通器即在這三種模式和信號(hào)來(lái)源之間切換??偩€模式提供了一種直接從總線寫入數(shù)據(jù)控制電容陣列開關(guān)的選擇,其寫入方式可以選擇連續(xù)寫入也可以選擇分段寫入。
3.4 譯碼器
譯碼器工作時(shí)將11位的溫度補(bǔ)償電容值轉(zhuǎn)換為22位對(duì)應(yīng)不同電容的開關(guān)信號(hào),通過(guò)電容開關(guān)陣列調(diào)整與振蕩器串聯(lián)的負(fù)載電容的大小。譯碼器輸出的低7位從0到128循環(huán),從第8位開始,低7位的值每達(dá)到128便開啟更高的一位,因此可以實(shí)現(xiàn)從0到2 047范圍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償。
4 振蕩電路
4.1 皮爾斯振蕩電路
振蕩電路采用常見的皮爾斯振蕩電路,其電路如圖5所示。
所有振蕩器都要滿足巴克豪森判據(jù),即環(huán)路增益的幅度必須大于1,相位等于0,見式(8)及式(9)。
晶體選用音叉晶體,其等效電路[6-7]如圖6所示。
從圖可以看出電路由兩條支路并聯(lián),一條等效阻抗Z1,由R1,C1和L1組成;一條等效阻抗Z2,只包含電容C0??梢詮牡刃ё杩狗匠淌将@得此電路的共振頻率表達(dá)式(10):
對(duì)于共振,其阻抗只有一個(gè)電阻,整理上式,使得阻抗Zt的實(shí)部和虛部都為零,則得到式(11):
解方程得式(12):
對(duì)于實(shí)際的石英晶體,R1一般低于100 Ω,L1的量級(jí)為mH,C1為fF,而C0的范圍為pF量級(jí),基于上述假設(shè),有式(13):
因此,得到兩個(gè)共振頻率,分為串聯(lián)共振頻率FS和并聯(lián)共振頻率FA:
對(duì)于皮爾斯振蕩電路,其實(shí)際振蕩頻率受負(fù)載電容影響,見式(18):
隨著負(fù)載電容增加,頻率可以在很小范圍內(nèi)變化,這個(gè)范圍也叫頻率牽引。本文所討論的溫度補(bǔ)償方式就是通過(guò)微調(diào)負(fù)載電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。
4.2 音叉晶體
RTC所用到的典型32.768 kHz音叉晶體[8]不能在寬溫范圍內(nèi)提供較高精度,在整個(gè)溫度范圍內(nèi)精度呈拋物線型,這種晶體的精度隨溫度變化曲線如圖7所示。在室溫下(25 ℃)精度最高,在高溫和低溫區(qū)域精度變差。
音叉晶體在高溫和低溫區(qū)域精度為負(fù),即頻率變慢,為了將晶體頻率牽引回正常范圍,在高溫和低溫區(qū)域均需要減小負(fù)載電容值。隨溫度變化的TCXO測(cè)試系統(tǒng)[9-10]測(cè)試晶體在不同溫度下的頻率精度差,從而計(jì)算不同溫度負(fù)載電容值。將測(cè)試計(jì)算的音叉晶體溫度特性曲線存儲(chǔ)到EEPROM里面,這是整個(gè)溫補(bǔ)晶振最核心的內(nèi)容。
5 結(jié)論
經(jīng)仿真,溫補(bǔ)晶振在-45 ℃~+85 ℃范圍內(nèi)頻率變化僅為5×10-6,見圖7??梢钥吹?,沒有采用數(shù)字溫度補(bǔ)償?shù)囊舨婢w振蕩器的溫度特性很差,在-5 ℃和55 ℃時(shí)都為30×10-6,經(jīng)過(guò)數(shù)字溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償作用,其溫度特性得到極大改善,在-45 ℃~+85 ℃之間穩(wěn)定在5×10-6,可以在寬溫范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的頻率輸出。
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作者信息:
孫婧瑤,何 宇,李雪梅
(北京時(shí)代民芯科技有限公司,北京100076)