Генератор с кварцевой стабилизацией частоты и способ генерации выходного сигнала генератора - RU2216098C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к кварцевым генераторам, а более конкретно к обладающему высокой стабильностью однокристальному кварцевому генератору, управляемому напряжением, с автоматической регулировкой усиления.

Предшествующий уровень техники
За прошедшие несколько лет технологии радиосвязи заметно продвинулись вперед. Например, многократно увеличились приложения технологии радиосвязи и резко возросло число абонентов, пользующихся такой радиосвязью. Расширившееся применение способов цифровой модуляции, таких как множественный доступ с временным разделением каналов (МДВРК) и множественный доступ с кодовым разделением каналов (МДКРК), наряду со значительным ростом плотности потоков информационного обмена через системы, реализующие эти способы модуляции, требует как меньшего разноса частот несущей, так и уменьшенной ширины полосы модуляции. В этих условиях все большее и большее значение приобретает стабильность частоты генераторов опорной частоты.

Хотя в электронных системах десятилетиями использовали генераторы с кварцевой стабилизацией частоты в качестве генераторов опорной частоты, в таких генераторах происходит изменение их характеристик, например выходного сигнала, стабильности частоты и стабильности амплитуды, в широких пределах при разных нагрузках и условиях температуры и питания. Многие такие генераторы выполнены на биполярных транзисторах в качестве активных элементов. Однако доминирующей технологией для изготовления большинства интегральных схем в настоящее время является технология комплементарных структур металл-оксид-полупроводник (КМОП-структур), а методы разработки обладающих высокой стабильностью кварцевых генераторов в рамках этой технологии изучены хуже.

Как упоминалось выше, приложения высокоскоростной радиосвязи требуют очень точных источников опорной частоты. Вообще говоря, на точность и стабильность частоты генератора влияют разные факторы, например технологические, температурные и приработочные изменения, которые требуют коррекции с учетом изменений частоты генератора. Большинство конфигураций известных генераторов, которые включают в себя схемы коррекции, включали в себя такие схемы коррекции, являющиеся внешними по отношению к интегральной схеме, содержащей сам генератор. Это решение дороже с точки зрения изготовления и менее компактно с учетом перспективы миниатюризации, что является очень важным фактором в современном конструировании радиоустройств.

Двумя важными факторами в конструировании обладающих высокой стабильностью кварцевых генераторов являются регулирование энергопотребления самим генератором и частотная коррекция генератора с учетом как технологических изменений, так и температурных изменений в процессе эксплуатации. Предпринимались попытки решить эти вопросы с помощью известных способов, например, таких как описанный в патенте США 5548252, выданном Ватанаби (Watanabi) и др. В этом патенте описан кварцевый генератор с цифровой температурной компенсацией, который включает в себя некоторые признаки, относящиеся к частотно-стабильным кварцевым генераторам; однако, способ, используемый для регулирования энергопотребления и являющийся очень важным элементом в конструировании кварцевого генератора, предназначенного для использования в устройствах радиосвязи, например - сотовых абонентских терминалах, и способы частотной коррекции существенно отличаются от способов, на которых основан генератор, соответствующий настоящему изобретению, и менее выгодны.

Краткое изложение сущности изобретения
В одном аспекте, настоящее изобретение включает в себя генератор с кварцевой стабилизацией частоты, включающий в себя усилитель, имеющий вход и выход. Вход соединен с кварцевым резонатором для установления колебаний в предварительно выбранном диапазоне частот. С выходом усилителя соединен посредством емкостной связи детектор амплитуды для выпрямления выходного сигнала с выхода генератора и осуществления фильтрации нижних частот выпрямленного сигнала для получения сигнала постоянного тока, пропорционального уровню амплитуды на выходе. Контур обратной связи подключает сигнал постоянного тока из детектора амплитуды обратно к источнику тока усилителя генератора для регулировки уровня амплитуды на выходе генератора до достижения предварительно выбранного значения и ограничения энергопотребления генератора.

В другом аспекте, настоящее изобретение включает в себя генератор с кварцевой стабилизацией частоты, включающий в себя усилитель генератора, имеющий вход и выход. Вход соединен с кварцевым резонатором для установления колебаний в предварительно выбранном диапазоне частот. Со входом усилителя резонатора также соединена цепь конденсаторов параллельного резонансного контура резонатора, имеющая изменяемое значение емкости для настройки частоты колебаний усилителя на предварительно выбранное значение. Цепь конденсаторов параллельного резонансного контура включает в себя, по меньшей мере один конденсатор с емкостью, управляемой напряжением (варикап), а на варикапе установлено исходное значение напряжения для настройки цепи конденсаторов параллельного резонансного контура и, следовательно, усилителя генератора на предварительно выбранную частоту колебаний. Исходное значение напряжения устанавливают путем генерации цифрового кода, преобразования цифрового кода в пропорциональное ему аналоговое значение и последующего преобразования аналогового значения тока в пропорциональное ему значение напряжения.

Краткое описание чертежей
Чтобы понять настоящее изобретение и его дополнительные задачи и преимущества, теперь можно обратиться к нижеследующему описанию, рассматривая его вместе с прилагаемыми чертежами, на которых
фиг. 1 представляет условную блок-схему, изображающую компоненты кварцевого генератора, соответствующего настоящему изобретению;
фиг.2 представляет график, показывающий взаимосвязь между емкостью и функцией напряжения для транзистора, выполненного в виде n-канального МОП-транзистора (n-МОП-транзистора);
фиг. 3 представляет график, изображающий полный диапазон частот в виде функции паразитной емкости;
фиг. 4 представляет блок-схему цифроаналогового преобразователя (ЦАП) со средствами четырехразрядного сегментного декодирования и четырехразрядного взвешивания тока в качестве части генератора, соответствующего настоящему изобретению.

Подробное описание предпочтительного конкретного варианта осуществления
Кварцевый генератор, соответствующий настоящему изобретению, включает в себя усилитель со схемами управления, причем все компоненты, за исключением кристалла кварца, встроены в одну подложку интегральной схемы. Конструкция КМОП-структуры генератора с кварцевой стабилизацией частоты, соответствующего настоящему изобретению, включает в себя собственно кварцевый генератор, управляемый напряжением (КГУН) с автоматической регулировкой усиления (АРУ) как с настройкой внутри кристалла интегральной схемы (ИС), так и температурной компенсацией (пропорционально абсолютной температуре (ПАТ)) внутри кристалла ИС. Двумя принципиальными предпочтительными признаками генератора, соответствующего настоящему изобретению, являются его схемная конфигурация автоматической регулировки усиления, которая значительно уменьшает энергопотребление генератора, и схемная конфигурация коррекции частоты внутри кристалла ИС как в случае технологических, так и в случае температурных изменений.

При конструировании быстродействующих схем цифровой радиосвязи существует большая потребность в исключительно точных и обладающих высокой стабильностью источниках опорной частоты. Кроме того, весьма желательна возможность встраивать (интегрировать) как можно больше компонентов в одну подложку и делать компоненты как можно меньше и дешевле, что диктуется другими ограничениями. Поскольку многие современные устройства радиосвязи, например, абонентские станции сотовой радиосвязи, запитываются от батарей, очень важным является также энергопотребление всех схем внутри устройства, включая кварцевый генератор опорной частоты.

На фиг. 1 изображена блок-схема конструкции генератора с кварцевой стабилизацией частоты в соответствии с настоящим изобретением. Конструкция включает предпочтительно на одном кристалле ИС 11, усилитель 12 генератора, который соединен с группой нагрузочных конденсаторов 13 и внешним кристаллом кварца 14 для установления средней частоты колебаний. Выход усилителя 12 генератора, который может представлять собой стандартный кварцевый трехточечный емкостный генератор с дроссельным выходом, соединен с детектором 15 амплитуды, выход которого соединен в контуре 16 автоматической регулировки усиления (АРУ) обратно с усилителем 12 генератора.

Нагрузочные конденсаторы 13 содержат первый и второй конденсаторы C₁ и С₂ параллельного резонансного контура. Конденсатор С₂ постоянной емкости последовательно соединен с конденсатором С_{варикап} с емкостью, управляемой напряжением (варикапом). Варикап С_{варикап} соединен с выходом схемы суммирования 17, один вход которой соединен с преобразователем 18 тока в напряжение (Т-Н-преобразователем). Другой выход схемы суммирования 17 соединен со схемой 19 компенсации пропорционально абсолютной температуре (ПАТ-компенсации). Вход преобразователя 18 тока в напряжение возбуждается цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) 21, который принимает цифровой входной сигнал из генератора 22 кода. Выходные напряжения Т-Н-преобразователя 18 и схемы 19 ПАТ-компенсации суммируются в схеме суммирования 17 и подключаются с возможностью возбуждения варикапа С_{варикап} и, следовательно, устанавливают значение его емкости. Изменения значения емкости С_{варикап} изменяют полную нагрузочную емкость 13 на усилителе 12 генератора, а значит и его частоту колебаний.

Генератор с кварцевой стабилизацией частоты, показанный на фиг.1, содержит высокоточный источник опорной частоты, который исключительно стабилен и по частоте и по амплитуде, по существу, при всех условиях эксплуатации. Частота, с которой колеблется кристалл, определяется, в частности, нагрузочной емкостью 13, подсоединенной к усилителю 12 генератора. Изменяя полную нагрузочную емкость, подсоединенную к усилителю 12 генератора, например - путем изменения значения емкости варикапа С_{варикап}, можно настраивать частоту колебаний усилителя 12 генератора на конкретную частоту. Значение емкости варикапа С_{варикап} определяется значением напряжения на нем, а напряжение, прикладываемое к С_{варикап}, получается путем суммирования двух разных напряжений в схеме суммирования 17. Эти значения включают в себя, во-первых, напряжение из схемы 19 ПАТ-компенсации, которое пропорционально абсолютной температуре, и напряжение из усилителя с выходным напряжением, пропорциональным входному току (Т-Н-преобразователя 18), который преобразует ток из цифроаналогового преобразователя 21 в значение напряжения. Во время процесса изготовления генератора с кварцевой стабилизацией частоты, некоторое цифровое значение записывают в ЦАП 21 посредством цифрового входа 22, который калибрует генератор на конкретную частоту при его первоначальном изготовлении. Таким образом, можно легко осуществлять компенсацию технологических изменений во время самого процесса изготовления. При эксплуатации, схема 19 ПАТ-компенсации выдает напряжение, которое пропорционально температуре окружающей среды кристалла ИС 11, на котором сконструирован генератор и тем самым компенсирует температурные изменения в условиях эксплуатации.

Схема автоматической регулировки усиления (АРУ), содержащая детектор 15 амплитуды и контур 16 АРУ, выполняет две важные функции. Первая функция заключается в обеспечении большого коэффициента усиления обратной связи в усилителе 12 генератора во время его первоначального запуска, чтобы гарантировать колебания при всех условиях эксплуатации. Вторая функция заключается в поддержании колебаний усилителя 12 генератора при определенном значении амплитуды во время длительной эксплуатации, чтобы сохранить энергию внутри генератора. Значение амплитуды на выходе усилителя 12 генератора определяется детектором 15 амплитуды, а сигнал, пропорциональный этой амплитуде, подается в качестве сигнала обратной связи в контуре 16 АРУ для регулировки коэффициента усиления усилителя. Внутри усилителя 12 генератора напряжение сигнала обратной связи регулирует ток в усилителе, а значит и коэффициент передачи в прямом направлении и коэффициент усиления обратной связи усилителя.

Цепь нагрузочных емкостей
Цепь 13 конденсаторов параллельного резонансного контура резонатора усилителя состоит из емкостей C₁, C₂ и С_{варикап.} Эти емкости предназначены для получения полных нагрузочных емкостей в диапазоне примерно 20 пФ в соответствии с конкретной возможной конструкцией кварцевого резонатора 14. Частота, с которой будет колебаться кристалл, определяется, в частности, его нагрузочной емкостью. C₁ и С₂, могут быть постоянными емкостями, выполненными непосредственно на подложке 11, тогда как С_{варикап} - это емкость, управляемая напряжением, также выполненная непосредственно на подложке 11. Емкостной вклад в паразитные емкости как на подложке 11, так и вне ее, следует включать в полную нагрузочную емкость.

Конденсатор С_{варикап} переменной емкости используется для компенсации изменения следующих параметров: (1) технологических допусков значений постоянных емкостей C₁ и C₂, выполненных на подложке 11; (2) паразитных емкостей как на подложке 11, так и вне ее; (3) флюктуации температуры генератора и (4) допуска кварцевого резонатора 14. Возможное характерное значение диапазона компенсации С_{варикап} составляет ± 35 частей на миллион (ч/млн). Это дает изменение полной нагрузочной емкости порядка 3,2 пФ (в предположении, что полная емкость составляет 20 пФ), поскольку возможная чувствительность подгонки кварцевого генератора может составлять порядка 10,8 (ч/млн)/пФ.

С_{варикап} предпочтительно выполняют в виде n-МОП-транзистора, в котором исток и сток соединены в виде одного вывода, а другой вывод используется как затвор. n-МОП-транзистор используется в инверсионной области, где емкость уменьшается посредством напряжения затвора по мере роста инверсионного слоя. Фиг. 2 изображает график зависимости емкости от напряжения для n-МОП-транзистора, иллюстрирующий полезную область конденсатора. Вследствие различных рабочих функций металла затвора и полупроводника, вблизи от оксидного слоя n-МОП-прибора возникает тонкая обедненная область. Эта обедненная область увеличивается посредством приложенного напряжения и отражает уменьшающееся значение емкости в левой части графика. В середине обедненной области (т.е. в нижней точке кривой, показанной на графике), полупроводник в действительности ведет себя почти так же, как оксидный слой, и в этой точке емкость достигает своего наинизшего значения. При дальнейшем увеличении напряжения, полупроводник приближается к инверсионному режиму, появляется проводящий слой и все больше и больше устраняет влияние возникшей обедненной зоны, результатом чего является увеличивающаяся емкость.

Постоянные емкости C₁ и C₂ выполнены, по существу, так же, как С_{варикап}, но подложка под оксидом затвора сильно легирована, так что получается инверсионный слой и конденсатор с емкостью, не зависящей от напряжения.

Возможные конструктивные параметры генератора того типа, который представляет собой предмет настоящего изобретения и позволяет получить полную нагрузочную емкость С_полн порядка 20±3,2 пФ и обеспечить требуемый диапазон настройки, включают в себя: C₁=123 пФ, C₂=70 пФ и С_{варикап}=14,5-39 пФ. Это характерные значения, оптимизированные относительно влияния паразитных емкостей.

Фиг. 3 представляет график, изображающий требуемую и фактическую С_полн в виде функции паразитных емкостей С_пар. Эта функция получится, когда С_пар будет находиться в возможном диапазоне 1,5-4 пФ. Паразитные емкости внутри кристалла ИС оцениваются как составляющие примерно 1 пФ. Паразитные емкости вне кристалла ИС могут находиться в диапазоне 0,5-3,0 пФ, и это означает, что конструкция относительно нечувствительна к паразитным емкостям в печатной плате, на которой смонтирована интегральная схема.

Схема цифроаналогового преобразователя
Во время изготовления генератора с кварцевой стабилизацией частоты, соответствующего настоящему изобретению, его частоту калибруют на конкретное значение. Это делают путем записи цифрового слова в цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 21. Затем ток из ЦАП 21 преобразуется в выходное напряжение, которое прикладывается к С_{варикап.} Емкость С_{варикап}, а значит и полная нагрузочная емкость 13 усилителя 12 генератора, изменяется, а частота колебаний корректируется до достижения точного значения, которое является требуемым.

Конструкция цифроаналогового преобразователя для этого приложения учитывает многочисленные соображения, включая скоростные ограничения, монотонность, занимаемую площадь кристалла ИС и энергопотребление. Монотонность важна для этого приложения потому, что ЦАП является частью контура во время калибровки, и локальный максимум или минимум в выходной функции может сделать калибровку невозможной. Энергопотребление также важно, поскольку генератор питается от батареи. ЦАП 21, основанный на преобразовании тока, выполнен с четырехразрядными взвешивающими переключателями тока, скомпонованными в блоки, и четырехразрядным сегментным декодером 32. Ввод цифрового слова на входе 33 обеспечивает соответствующий ток на выходе 34. Как показано на фиг. 4, каждый из блоков 31 соединен с четырьмя самыми младшими разрядами (СМР). Четыре самых старших разряда (ССР) подвергаются сегментному декодированию и включают блоки с помощью более высоких входных значений. С предыдущим током с более высокими входными значениями суммируют новый ток. Таким образом, при наличии схем, изображенных на фиг.4, монотонность гарантирована.

Схема компенсации пропорционально абсолютной температуре
Схема 19 компенсации пропорционально абсолютной температуре (ПАТ-компенсации) используется для компенсации изменений в генераторе, вызванных температурными изменениями подложки 11. Схема 19 ПАТ-компенсации выдает напряжение, которое пропорционально температуре кристалла ИС. Это напряжение суммируется с напряжением, полученным из выходного тока ЦАП 21, в схеме суммирования 17, и их сумма прикладывается к выводу. Следовательно, изменение значения С_{варикап} изменяет полную емкость локальных конденсаторов 13 для изменения частоты колебаний. Таким образом, полная нагрузочная емкость изменяется схемой 19 ПАТ-компенсации, чтобы скорректировать частоту усилителя 12 генератора с учетом изменений температуры. Выходное напряжение схемы ПАТ-компенсации основано на температурной зависимости МОП-транзистора и получается по методике, согласно которой берут стабильное опорное напряжение и подключают его к делителю напряжения, который включает в себя сильно легированный резистор с отрицательным температурным коэффициентом.

Преобразователь тока в напряжение
Преобразователь 18 тока в напряжение (Т-Н-преобразователь) преобразует ток из ЦАП 21 в напряжение и суммирует с ним напряжение из схемы 19 ПАТ-компенсации. Т-Н-преобразователь 18 выполнен в виде усилителя с выходным напряжением, пропорциональным входному току, и состоит из двухкаскадного операционного усилителя с сопротивлением, подсоединенным между выходом и отрицательным входом. Ток из ЦАП 21 подается на отрицательный вход, а напряжение из схемы 19 ПАТ-компенсации прикладывается на другом входе операционного усилителя. В результате, на выходе происходит суммирование этих двух входных напряжений, реализуемое в виде схемы суммирования 17, и их сумма прикладывается к С_{варикап}.

Усилитель генератора
Усилитель 12 генератора выполнен в виде дифференциального усилителя с одним выходом, который обеспечивает легко регулируемый высокий коэффициент усиления. Усилитель оснащен входом напряжения, который управляет источником тока в усилителе. Величина этого тока определяет коэффициент усиления обратной связи генератора. Напряжение к этому входу прикладывается контуром 16 автоматической регулировки усиления (АРУ), а коэффициент усиления обратной связи регулируется до достижения подходящего значения, контролируемого контуром 16 АРУ.

При запуске, когда колебаний нет, контур 16 АРУ выдает на усилитель сигнал обратной связи, который обеспечивает максимальный ток в усилителе. Это приводит к очень высокому коэффициенту усиления обратной связи, гарантируя рост амплитуды колебаний по сравнению с шумом в самом усилителе. Когда амплитуда колебаний растет, контур 16 АРУ уменьшает ток в усилителе генератора, а значит и коэффициент усиления обратной связи. При колебаниях в установившемся режиме, контур 16 АРУ устанавливает колебания с определенным низким значением амплитуды. Ток ограничивается значением, чуть превышающим его критическое значение при нормальной эксплуатации, и поэтому энергопотребление поддерживается на минимальном уровне. Регулировка температуры также исключает нелинейные эффекты в усилителе, которые в противном случае ухудшили бы частотную стабильность генератора.

Контур АРУ
Выходной сигнал из усилителя 12 подключается посредством емкостной связи, чтобы исключить любые составляющие постоянного тока, а затем выпрямляется и подвергается фильтрации нижних частот для получения сигнала, пропорционального амплитуде колебаний, в детекторе 15 амплитуды. Сигнал из детектора 15 амплитуды подается обратно в источник тока усилителя и таким образом регулирует амплитуду колебаний генератора до достижения предварительно выбранного значения для точного регулирования энергопотребления усилителя до достижения предварительно выбранного минимального значения.

Как можно заметить из приведенного описания, кварцевый генератор, соответствующий настоящему изобретению, обеспечивает два весьма желательных признака для обладающего высокой стабильностью генератора с кварцевой стабилизацией частоты при использовании электронных схем, требующих высокой степени точности и компактности. Более конкретно, генератор, соответствующий настоящему изобретению, обеспечивает контур АРУ, который гарантирует как надежное индуцирование колебаний при запуске, так и тщательное регулирование энергопотребления генератора в процессе эксплуатации. Кроме того, генератор, соответствующий настоящему изобретению, обеспечивает очень надежное и точное средство коррекции частоты генератора с учетом как технологических изменений, так и температурных изменений во время эксплуатации генератора.

Хотя на прилагаемых чертежах проиллюстрированы и в вышеизложенном описании описаны предпочтительные конкретные варианты осуществления изобретения, понятно, что изобретение не сводится к одному или нескольким описанным конкретным вариантам осуществления и возможны многочисленные перекомпоновки, модификации и замены в рамках объема притязаний изобретения, изложенного и определенного в нижеследующей формуле изобретения.

Реферат

Изобретение относится к кварцевым генераторам с автоматической регулировкой усиления. Достигаемый технический результат - регулирование энергопотребления и частотная коррекция с учетом изменения как технологических изменений, так и температурных изменений в процессе эксплуатации. Генератор с кварцевой стабилизацией частоты содержит усилитель, средство детектирования выходного сигнала усилителя, средство емкостной связи выхода усилителя со средством детектирования, средство фильтрации нижних частот, контур обратной связи для подключения сигнала постоянного тока из средства фильтрации нижних частот к источнику тока в усилителе для регулировки уровня амплитуды на выходе усилителя до достижения предварительно выбранного значения и ограничения энергопотребления после запуска генератора и выдачи при запуске в источник тока усилителя сигнала, обеспечивающего максимальный ток, протекающий через усилитель для получения коэффициента усиления обратной связи и индуцирования колебаний в усилителе. 8 с. и 6 з.п.ф-лы, 4 ил.

Формула