CN104079266B - 一种用于晶振温度补偿的模拟高阶幂函数发生电路 - Google Patents
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Abstract
一种用于晶振温度补偿的模拟高阶幂函数发生电路，涉及晶体温度特性补偿电路技术领域。本发明包括依次连接的温度传感器、幂函数电流产生电路、跨阻放大器与电压加法器。温度传感器通过将外部温度转换成对应的线性的电压函数送入幂函数电流产生电路的输入端，幂函数电流产生电路将信息转换为对应的高阶函数曲线并通过跨阻放大器转换为电压，再通过电压加法器与一阶函数、零阶校准函数相加成所需电压。所述幂函数电流产生电路包括i+j个带有射极负反馈的双极型类限幅差分对，其中i是大于等于4的整数，j为大于等于1的整数。本发明是一种适于集成、低噪声、面向宽中心温度偏移范围的高次幂函数产生电路，非常适于对高精度要求的晶体振荡器进行温度补偿。
Description
技术领域
本发明涉及晶体温度特性补偿电路技术领域，特别是用于拟合高阶n次幂函数的近似n次幂函数的发生电路。
背景技术
对于通常用于晶体振荡器的ＡＴ切的晶体谐振器而言，温度变化与固有的振荡频率的关系可以表示为近似三次函数——“贝克曼曲线”。高次函数的扩展可以使此频率-温度曲线的拟合更准确。它的五次函数扩展可以表示为如下的形式。
其中，f是输出频率，A5是五次项系数，A4是四次项系数，A3是三次项系数，A1是一次项的斜率，而A0则是频率偏移。T0是曲线的中心温度，也即函数拐点的位置，通常情况下认为处于25到30℃的范围，然而实际情况中，由于AT切的晶体频率-温度特性与切角相关，根据晶体厂提供的数据，该拐点的范围会扩展到20到34℃的范围。
由于石英晶体具有的压电特性，所以可以通过电压控制的方式来对晶振的温度曲线进行补偿，也就是频率-温度曲线可以被转换为所述高次幂函数所产生的一个随温度变化的电压特性与频率的关系。
其中，VC是总的控制电压，VC0是名义输入电压，ΔVC是由所述高次幂函数发生装置产生的用于晶体温度补偿的控制电压。B5是五次项系数，B4是四次项系数，B3是三次项系数，B1是一次项的斜率，而B0则是常数项。该控制电压VC需要考虑不同的T0所带来的结果，所以需要有一个较宽的范围。考虑到集成电路实现中的匹配性问题，实际电路的温度覆盖范围将比20到34℃的范围更宽。
现有技术中，由于T0的显著偏差使得上述电路必须具有用于产生与之相应的控制电压所需的更宽的调整范围，而且该电路必须考虑超出调整范围之外的温度情况；同时T0的显著偏差使得温度范围内的高次幂函数曲线呈现明显的不对称性。以一个实际例子为例，现要求校准在-40C到85C之间的曲线，考虑到覆盖中心温度T0的偏移从20到34℃范围的要求，由于集成电路中存在的明显的失配与参数误差等现象，会使设计电路的实际覆盖的中心温度T0的范围达到15到40℃，这意味着电路设计必须保证低温补偿能够满足补偿温度范围TMIN-T0MAX=-80C的需要，而高温部分在这种情况下，必须保证低温补偿能够满足补偿温度范围TMAX-T0MIN=70C的需要，相较于电路设计仅考虑覆盖中心温度T0的偏移在25到30℃的情况的要求，就五次幂函数而言，在范围低温部分极大值与高温部分极大值的差值可能增大一倍以上，这意味着就整个曲线来说，补偿曲线的高温部分与低温部分曲线的不对称性加强了。这对于线性拟合的方式实现的补偿曲线来说，这使得所述电路必须对不对称性的补偿进行考虑。现有的设计中多采用三阶结构进行补偿，因为采用更高阶的补偿会使得电路的规模进一步增大，并引入更多的噪声。
发明内容
针对上述现有的n次函数产生电路受噪声限制不利于扩展到更高阶函数来获得更高次精确度以及针对现有的函数产生电路不适合宽中心温度偏移的情况，本发明的目的是提供一种用于晶振温度补偿的模拟高阶幂函数发生电路。它是一种适于集成、低噪声、面向宽中心温度偏移范围的高次幂函数产生电路，非常适于对高精度要求的晶体振荡器进行温度补偿。
为了达到上述发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现：
一种用于晶振温度补偿的模拟高阶幂函数发生电路，其结构特点是，它包括依次连接的温度传感器、幂函数电流产生电路、跨阻放大器与电压加法器。温度传感器通过将外部温度转换成对应的线性的电压函数送入幂函数电流产生电路的输入端，幂函数电流产生电路将信息转换为对应的高阶函数曲线并通过跨阻放大器转换为电压，再通过电压加法器与一阶函数、零阶校准函数相加成所需电压。所述幂函数电流产生电路包括i+j个带有射极负反馈的双极型类限幅差分对，其中i是大于等于4的整数，j为大于等于1的整数。
所述j个差分对作为针对宽中心温度偏移范围时的额外的补偿电路用于对低温范围进行更精确的补偿，j个差分对中的输入差分对管与尾电流源均由双极型晶体管构成。
所述i个差分对的一个输入端共同地与温度传感器的输出端相连，另一个输入端依次与逐渐增加的恒定参考电压源相连，通过差分对电路中的类限幅差分放大器将电压转换为电流。其中，第一和第二差分放大器被设置为输入相同的信号且输出相反的极性，其余（i-2）个差分电路输出具有与第一差分放大器输出相同、与第二差分放大器输出相反的极性，通过运放与电阻构成的负反馈电压电流转换器转换为差分电流，在通过输出结点时，进行相加，得到n阶幂函数电流。
在上述模拟高阶幂函数发生电路中，所述输入的恒定参考电压小于设定的中心温度对应的温度传感器输出电压的各差分对对应生成高温范围的幂函数。输入的恒定参考电压大于设定的中心温度对应的温度传感器输出电压的各差分对对应生成低温范围的幂函数，输入的恒定参考电压等于或接近于设定的中心温度对应的温度传感器输出电压的差分对对应抵销一次项，生成平坦的中温度范围部分。
在上述模拟高阶幂函数发生电路中，所述生成高温幂函数的差分放大器与生成低温部分幂函数的差分放大器的输出具有相反的极性，并取消了生成中温部分幂函数的差分放大器。
在上述模拟高阶幂函数发生电路中，所述j个差分对作为扩展低温范围差分对，用于拟合低温范围的边缘结果。j个差分对具有与i个差分对中生成低温范围的差分对的输出具有相同的极性。j个差分对一端与温度传感器输出相连接，另一端与恒定参考电压相连接，且该恒定参考电压就大于等于前述i个差分对中恒定参考电平的值。
在上述模拟高阶幂函数发生电路中，所述电路中还包括复制补偿电流源用以消除i+j个差分对中引入的零阶偏移。
在上述模拟高阶幂函数发生电路中，所述高阶幂函数发生电路分为奇数阶幂函数发生电路和偶数阶幂函数发生电路。奇数阶幂函数发生电路中复制补偿电流源的电流幅值等于j个扩展低温范围差分对尾电流的和，偶数阶幂函数发生电路中复制补偿电流源的电流幅值等于i+j个差分对尾电流的和。
在上述模拟高阶幂函数发生电路中，所述高阶幂函数发生电路中的五阶幂函数发生电路，被设置为i=6且j=1。其中第一与第二双极型差分对输入的恒定电平参考电压相同，第三至第七双极型差分对输入的恒定电平参考电压顺序增加，第四差分对输入的恒定电平参考电压小于第一、第二双极型差分对输入的恒定电平的参考电压，第五差分对输入的恒定电平参考电压小于第一、第二双极型差分对输入的恒定电平的参考电压，第七双极型差分对具有最大的恒定电平参考电压。所述高阶幂函数发生电路中的四阶幂函数发生电路，被设置为i=6且j=1。其中第一到第七输入的恒定参考电平顺序增加。所述高阶幂函数发生电路中的三阶幂函数发生电路，被设置为i=4且j=1。其中第一与第二双极型差分对输入的恒定电平参考电压相同，第三至第五双极型差分对输入的恒定电平参考电压顺序增加，第三差分对输入的恒定电平参考电压小于第一、第二双极型差分对输入的恒定电平的参考电压，第四差分对输入的恒定电平参考电压小于第一、第二双极型差分对输入的恒定电平的参考电压，第五双极型差分对具有最大的恒定电平参考电压。
在上述模拟高阶幂函数发生电路中，所述五阶幂函数发生电路中复制补偿电流源的电流幅值等于第七双极型差分对尾电流源的电流幅值。所述三阶幂函数发生电路中复制补偿电流源的电流幅值等于第五双极型差分对尾电流源的电流幅值。所述四阶幂函数发生电路中复制补偿电流源中的电流幅值等于第一至第七个差分对尾电流的和。
本发明由于采用了上述结构，可以得到单一n阶幂函数电流。通过使用简单的比例放大电路构成的跨阻放大器，即可很容易地将幂函数电流产生装置产生的幂函数电流转换成所需的幂函数电压，用于对晶体进行温度补偿，适用于更宽的中心温度点T0的温度偏移范围的三次以上高次函数的电路。采用本发明，可以有效的减小电路的噪声，并获得更高的校准精度。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中幂函数电流产生电路的作用原理图；
图3为本发明实施例中五次幂函数发生电路的结构示意图；
图4为本发明实施例中五次幂函数发生电路的一个差分对电路原理图；
图5为图4中加入射极反馈电阻的原理图；
图6为图5中加入电压-电流转换电路的原理图；
图7为本发明实施例中针对五次幂函数发生电路的电压输出特性图；
图8为本发明实施例中针对五次幂函数发生电路的电流输出特性图；
图9至图14为本发明实施例中针对五次幂函数发生电路的各情况下电流的输出波形图；
图15为本发明实施例中四次幂函数发生电路的结构示意图；
图16至图21为本发明实施例中针对四次幂函数发生电路的各情况下电流的输出波形图；
图22为本发明实施例中三次幂函数发生电路的结构示意图；
图23至图28为本发明实施例中针对三次幂函数发生电路的各情况下电流的输出波形图。
具体实施方式
参看图1和图2，本发明包括依次连接的温度传感器、幂函数电流产生电路、跨阻放大器与电压加法器。温度传感器通过将外部温度转换成对应的线性的电压函数送入幂函数电流产生电路的输入端。幂函数电流产生电路将信息转换为对应的高阶函数曲线并通过跨阻放大器转换为电压，再通过电压加法器与一阶函数、零阶校准函数相加成所需电压。幂函数电流产生电路包括i+j个带有射极负反馈的双极型类限幅差分对，其中i是大于等于4的整数，j为大于等于1的整数。j个差分对作为针对宽中心温度偏移范围时的额外的补偿电路用于对低温范围进行更精确的补偿，j个差分对中的输入差分对管与尾电流源均由双极型晶体管构成。i个差分对的一个输入端共同地与温度传感器的输出端相连，另一个输入端依次与逐渐增加的恒定参考电压源相连，通过差分对电路中的类限幅差分放大器将电压转换为电流。其中，第一和第二差分放大器被设置为输入相同的信号且输出相反的极性，其余（i-2）个差分电路输出具有与第一差分放大器输出相同、与第二差分放大器输出相反的极性，通过运放与电阻构成的负反馈电压电流转换器转换为电流，在通过输出结点时，进行相加，得到n阶幂函数电流。
参看图3，以五次幂函数发生电路为奇数阶幂函数发生器的实施例加以阐述。五次函数发生电路由从QA-QG的七个类限幅共射射极负反馈差分对与QCP构成的补偿电流源组成，其中电流镜电路1构成了差分对的尾电流源。电流镜中电路2包括双极型晶体管Q0，其集电极连接在双极型晶体管QH的基极，并通过恒定电流源连接到电源正极VDD；其基极与双极型晶体管QH的发射极相连，其发射极通过反馈电阻R0连接到地VSS；双极型晶体管QH的集电极与VDD相连，用于对双极型晶体管参数β随工艺与温度变化的影响做出抑制。该电流镜中电路2还包括各自基极与双极型晶体管Q0的基极相连的八个双极型晶体管Q1到Q8，它们的发射极也通过对应的反馈电阻连接到地VSS；电流镜电路1为类限幅共射射极反馈差分对4A-4G提供尾电流源；类限幅差分对负端输出电压连接到运放OP1的正输入端，其中，运放OP1与PMOS管MP1以及电阻R9B构成电压-电流转换电路3。在电压-电流转换电路3中，运放OP1的负端与PMOS管MP1的源端相连，并通过电阻R9B连接到电源VDD上；运放OP1的输出连接到PMOS管MP1的栅极，PMOS管MP1的漏极为输出端，并与差分对的正输出端相连。
类限幅差分放大电路4A为典型的具有射极负反馈的共射差分对结构。差分放大电路4A的差分对由双极型晶体管QA1和QA2构成，分别经由串联反馈电阻RA1和RA2联接到电流镜中电路2的双极型晶体管Q5的集电极。输入信号VIN被加到晶体管QA1的基极上，恒定电平参考电压VREFM被加到晶体管QA2的基极上。双极型晶体管QA2的集电极通过采样电阻R9A连接到电源正极端VDD，同时，QA1的集电极作为差分对的正电压输出端连接到电压-电流转换3的输入端。
类似地，类限幅差分放大电路4C、4D、4E、4F、4G也具有相同的结构，其正输入端QC1、QD1、QE1、QF1、QG1的基极均与QA1的基极相连作为整个电路的输入端，与温度传感器的输出相连；QC1、QD1、QE1、QF1、QG1的集电极相连，并连接至电压-电流转换3的输入端。类限幅差分放大电路4C、4D、4E、4F、4G的负输入端晶体管QC2、QD2、QE2、QF2、QG2的基极分别地输入恒定参考电压VREFL1、VREFL2、VREFH1、VREFH2、VREFH3。QC2、QD2、QE2、QF2、QG2的集电极相连，并通过电阻R9A与电源VDD相连接。其中，考虑到当拐点温度T0偏移较大时，拐点两侧曲线的不对称情况加大，增加了针对边缘情况进行补偿的差分对4G，并由QCP支路提供了一支补偿电流以消除零次分量偏差。
类限幅差分放大电路4B的结构相对比较特殊，它的输入与类限幅差分放大电路4A相比有着反相的特征。输入信号VIN被加到晶体管QB2的基极上，恒定电平参考电压VREFM被加到晶体管QB1的基极上。双极型晶体管QB2的集电极通过采样电阻R9A连接到电源正极端VDD，同时，QB1的集电极作为差分对的正电压输出端连接到电压-电流转换电路3的输入端。当然，QB1和QB2分别经由串联反馈电阻RB1和RB2联接到电流镜中电路2的双极型晶体管Q4的集电极。由于类限幅差分放大电路4B的输入与类限幅差分放大电路4A的相反，所以它们的输出也具有反相的特征。
注意到，输入至类限幅差分放大电路4A至4G的参考电压VREFH3到VREFL1的大小具有一定特征。鉴于输入信号VIN是随温度单调递减的类一次函数，参考电压VREFH3到VREFL1的大小被设定为，VREFH3>VREFH2>VREFH1>VREFM>VREFL1>VREFL2。其中VREFH针对低温部分进行拟合，VREFL针对高温部分进行拟合。
现具体阐述上述电路的工作原理。
先单独考虑一个差分对电路的情况，如图4所示。在输入回路，由基尔霍夫定理可以得到，
由埃伯斯-莫尔模型，
忽略三极管之间的不匹配情况，故可得到，
又，
综上可得，
当VIN-VREFM大于3VT时，因为QA2截止，而所有的电流流向另一个晶体管，故集电极电流几乎与VIN-VREFM无关。并且，只有当VIN-VREFM小于VT时，电流接近于线性。由此得到输出电压的值，
所以，输出电压
电压属性如图7所示。
现在加入射极反馈电阻，如图5所示。当输入电压VIN足够小于参考电压时，此时，QA1进入截止区，通过QA1的电流为0。此时流经QA2的射极电流为ITAILA，所以可以认为加入射极反馈电阻，扩大了电流的线性范围至I0RA1+3VT。
随着VIN逐渐增大，QA1进入放大区，由于反馈电阻的影响，输出电流将逐渐线性增加，相应的QA2的输出电流IC2开始线性减少。当
时，QA2截止，IC2=0，此时所有的尾电流全部流过QA1，IC1=ITAILA，如图5所示。此时，输出差分电压
现在加入电压-电流转换电路，如图6所示。在图6中，QA2的集电极连接运放OP1的正输入端，而运放OP1的负输入端通过电阻R9B连接到VDD上，相当于差分电路图5中的电阻R9B被电压-电流转换电路3替代。类似于射极负反馈的共射差分对的情况，IC1与IC2仍具有相同的电流特性，如图5所示。此时，类似于限幅器电路，结点A的电压被限制在与参考电压相同，不同的是此处A点电压被运放OP1钳位到与QA2的集电极电压相同。该电压通过电阻R9B转化成与电流IC2相同的电流值，并流过PMOS管MP1。如前所述，IC1与IC2的电流特性与图5中相同。根据前述公式（15）（16），输出电流IOUT相当于将原差分输出电压VOD通过电阻R9B转化成电流的形式，即
其电流特性如图8所示。
下面详细论述五阶幂函数电流产生电路的工作原理。如前所述，五阶幂函数电流产生电路可以看作是由针对高温部分的电流产生部分、低温部分的电流产生部分和中温部分的电流产生部分组成,电路图如图3所示.在五阶幂函数电流产生电路中，差分对4A、4B构成了中温部分的电流，差分对4C、4D产生了高温部分的电流分量，而4E、4F、4G构成了低温部分的电流分量，其中差分对4G是用于消除不对称性的扩展低温电流分量。整个电流的输出特性图如图9至图14所示，其中实线是竖轴表示的值，虚线是各差分对输出的分量。
现对不同的温度范围进行分别论述。先考虑差分对4A和差分对4B的情况，它们产生了中温范围内随温度变化较小的电流。如前所述，差分对4A电路产生的电流如图19所示。注意到图3电路中，差分对4B电路的输出极性与差分对4A电路相反，故对差分对4B电路产生的电流进行调整，以消除差分对4A电路产生电流中的一阶分量。如前所述，当VIN-VREFM=ITAILBRB+3VT是线性部分与一个输入管进入截止区的临界点。故可以通过调整理ITAILBRB的值，将临界点的位置进行调整。在差分对4B电路中，通过采用一个大的ITAILBRB的值，将线性部分的范围扩大到整个VIN的范围内，也就是说得到了一个全温度范围内的一阶函数，如图10所示，将图9与图10进行叠加，就可以获得一个中间温度内输出电流平坦的输出电流曲线。
现考虑高温部分的情况。当温度较低时，此时VIN的值远大于VREFL1、VREFL2。QC1、QD1工作于放大区，而QC2、QD2截止。此时输出电流分别为-ITAILC，-ITAILD。随着温度的升高，VIN的值逐渐降低，当VIN的值小于VREFL1+ITAILCRC+3VT时，此时QC2导通，输出电流随温度呈线性变化，如图11所示。与之类似，当VIN的值小于VREFL2+ITAILDRD+3VT时，三极管QD2导通，输出电流随温度呈线性变化，如图11所示。在输出端对两路电流进行叠加就可以得到图11实线所示电流特性，通过与图9、图10的高温部分进行累加，就可以拟合出五阶幂函数的高温部分。
低温部分稍微复杂一些。当温度较高时，此时VIN的值远小于VREFH1、VREFH2。QE2、QF2工作于放大区，而QE1、QF1截止。此时输出电流分别为ITAILE， ITAILF。随着温度的降低，VIN的值逐渐升高，当VIN的值大于VREFH1-ITAILERE-3VT时，此时QE1导通，输出电流随温度呈线性变化，如图12所示。与之类似，当VIN的值大于VREFH2+ITAILFRF+3VT时，三极管QF1导通，输出电流随温度呈线性变化，如图12所示。在输出端对两路电流进行叠加就可以得到图12实线所示电流特性，通过与图9、图10的低温部分进行累加，就可以拟合出五阶幂函数的低温部分。
如前所述，当中心温度偏移超出25-30℃的范围时，此时低温状态下最大值与最高温的极值的差值会显著加大，此时不得不通过对低温部分增加差分对4G来进行调整。如图13所示，增加差分对会引入一个常数项偏差或称为零阶偏差，为了对这个常数项进行弥补，引入了QCP支路，尾电流被设定为与差分对4G的尾电流源幅度相同且反相，这样可以将4G支路产生的零阶电流通过QCP支路连接到地，以实现对零阶偏差进行校准。事实上，可以通过增加差分电路与补偿电流的方法获得更宽的温度补偿范围与更高的精度。
将差分对4A到4G，以及QCP所在支路的电流相加可以得到线性拟合的五阶幂函数电流IOUT，如图14所示。
现在，以四次幂函数发生电路为偶数阶幂函数发生器的例子加以阐述。如图15所示，所述四次函数发生电路由从QA-QG的七个类限幅共射射极负反馈差分对与QCP构成的补偿电流源组成，其中电流源电路1为差分对的尾电流源提供电流。电流镜电路2包括双极型晶体管Q0，其集电极连接在双极型晶体管QH的基极，并通过恒定电流源连接到电源正极VDD；其基极与双极型晶体管QH的发射极相连，其发射极通过反馈电阻R0连接到地VSS；双极型晶体管QH的集电极与VDD相连，用于对双极型晶体管参数β随工艺与温度变化的影响做出抑制。该电流镜电路2还包括各自基极与双极型晶体管Q0的基极相连的八个双极型晶体管Q1到Q8，它们的发射极也通过对应的反馈电阻连接到地VSS；该电流镜电路2为类限幅差分放大电路4A-4G提供尾电流源；类限幅差分对负端输出电压连接到运放OP1的正输入端，其中，运放OP1与PMOS管MP1以及电阻R9B构成电压-电流转换电路3。在电压-电流转换电路3中，运放OP1的负端与PMOS管MP1的源端相连，并通过电阻R9B连接到电源VDD上；运放OP1的输出连接到PMOS管MP1的栅极，PMOS管MP1的漏极为输出端，并与差分对的正输出端相连。
四次幂函数发生电路中的差分对连接方式与五阶幂函数类似，但其低温部分与高温部分的差分对反相，并且考虑到偶数阶幂函数为偶函数，具有对称性。故中温部分可以通过低温部分与高温部分差分对的值来对其进行补偿，而无需加入额外的中温补偿电流。现对四阶幂函数产生电路连接描述如下。
类限幅差分放大电路4D为典型的具有射极负反馈的共射差分对结构。类限幅差分放大电路4D的差分对由双极型晶体管QD1和QD2构成，分别经由串联反馈电阻RD1和RD2联接到电流镜中电路2的双极型晶体管Q5的集电极。输入信号VIN作为温度传感器的输出端被加到晶体管QD1的基极上，恒定电平参考电压VREFL1被加到晶体管QD2的基极上。双极型晶体管QD2的集电极通过采样电阻R9A连接到电源正极端VDD，同时，QD1的集电极作为差分对的正电压输出端连接到电压-电流转换电路3的输入端。
类似地，类限幅差分放大电路4E、4F、4G也具有相同的结构，其正输入端QE1、QF1、QG1的基极均与QD1的基极相连作为整个电路的输入端，与温度传感器的输出相连， QD1、QE1、QF1、QG1的集电极相连，并连接至电压-电流转换电路3的输入端。类限幅差分放大电路4E、4F、4G的负输入端晶体管QE2、QF2、QG2的基极分别地输入低温部分的恒定参考电压VREFH1、VREFH2、VREFH3。QD2、QE2、QF2、QG2的集电极相连，并通过电阻R9A与电源VDD相连接。其中，考虑到当拐点温度T0偏移较大时，拐点两侧曲线的不对称情况加大，增加了针对边缘情况进行补偿的差分对4G，并在QCP支路提供了考虑到加入补偿电流以消除零次分量偏差。
用于拟合高温部分类限幅差分放大电路4A、4B、4C的输入与拟合低温部分的差分对相比较有着反相的特征。输入信号VIN被加到晶体管QA2、QB2、QC2的基极上，QA1、QB1、QC1的基极分别地输入高温部分的恒定参考电压VREFL1、VREFL2、VREFL3。双极型晶体管QA2、QB2、QC2的集电极通过采样电阻R9A连接到电源正极端VDD，同时，QA1、QB1、QC1的集电极作为差分对的正电压输出端连接到电压-电流转换电路3的输入端。
注意到，输入至类限幅差分放大电路4A至4G的参考电压VREFH3到VREFL1的大小具有一定特征。鉴于输入信号VIN是随温度单调递减的类一次函数，参考电压VREFH3到VREFL1的大小被设定为，VREFH3>VREFH2>VREFH1>VREFM>VREFL1>VREFL2。其中VREFH针对低温部分进行拟合，VREFL针对高温部分进行拟合。
下面详细论述四阶幂函数电流产生电路的工作原理。如前所述，四阶幂函数电流产生电路可以看作是由针对高温部分的电流产生部分、低温部分的电流产生部分组成。电路图如图4至图6所示。参看图15，在四阶幂函数电流产生电路中，差分对类限幅差分放大电路4A、4B、4C产生了高温部分的电流分量，而类限幅差分放大电路4D、4E、4F、4G构成了低温部分的电流分量，其中差分对4G是用于消除不对称性的扩展低温电流分量。
当温度较低时，此时VIN的值远大于VREFL1。QA2工作于放大区，而QA1截止。此时输出电流分别为ITAILA。随着温度的升高，VIN的值逐渐降低，当VIN的值小于VREFL1+ITAILCRC+3VT时，此时QA1导通，输出电流随温度呈线性变化，并随着温度的增加而逐渐减小。与之类似，当温度较高时，此时VIN的值远小于VREFH1。QD2工作于放大区，而QD1截止。当VIN的值大于VREFH1-ITAILERE-3VT时，三极管QD1导通，输出电流随温度呈线性变化，并随着温度的降低而逐渐减小，如图16至图21所示。所以类限幅差分放大电路4A、4D输出电流的和可以构成如图16所示的形状。与之类似，由于VREFH3>VREFH2>VREFH1>VREFM>VREFL1>VREFL2，差分对类限幅差分放大电路4B、4E的输出电流的和可以构成如图17所示的形状，差分对类限幅差分放大电路4C、4F的输出电流的和可以构成如图18所示的形状。
如前所述，当中心温度偏移超出25-30℃的范围时，此时低温状态下最大值与最高温的极值的差值会显著加大，此时不得不通过对低温部分增加差分对类限幅差分放大电路4G来进行调整。如图19所示。与五阶幂函数电流发生电路不同的是，由于四阶幂函数电流发生电路中，拟合低温范围的差分对与高温范围的差分对电路的输出电流在非线性情况下均大于零，所以会形成零阶误差。针对此处，补偿电流支路的设计就显得相当简单与清楚了，即令
此处，以三阶幂函数发生电路为例加以阐述。如图22所示，所述三阶函数发生电路由从QA-QE的七个类限幅共射射极负反馈差分对与QCP构成的补偿电流源组成，其中电流源电路1为差分对的尾电流源提供偏置电流。电流镜中电路2包括双极型晶体管Q0，其集电极连接在双极型晶体管QH的基极，并通过恒定电流源连接到电源正极VDD；其基极与双极型晶体管QH的发射极相连，其发射极通过反馈电阻R0连接到地VSS；双极型晶体管QH的集电极与VDD相连，用于对双极型晶体管参数β随工艺与温度变化的影响做出抑制。该电流镜中电路2还包括各自基极与双极型晶体管Q0的基极相连的八个双极型晶体管Q1到Q6，它们的发射极也通过对应的反馈电阻连接到地VSS；该电流镜电路2为类限幅差分放大电路4A-4E提供尾电流源；类限幅差分对负端输出电压连接到运放OP1的正输入端，其中，运放OP1与PMOS管MP1以及电阻R9B构成电压-电流转换电路3。在电压-电流转换电路3中，运放OP1的负端与PMOS管MP1的源端相连，并通过电阻R9B连接到电源VDD上；运放OP1的输出连接到PMOS管MP1的栅极，PMOS管MP1的漏极为输出端，并与差分对的正输出端相连。
类限幅差分放大电路4A为典型的具有射极负反馈的共射差分对结构。类限幅差分放大电路4A的差分对由双极型晶体管QA1和QA2构成，分别经由串联反馈电阻RA1和RA2联接到电流镜电路2的双极型晶体管Q5的集电极。输入信号VIN被加到晶体管QA1的基极上，恒定电平参考电压VREFM被加到晶体管QA2的基极上。双极型晶体管QA2的集电极通过采样电阻R9A连接到电源正极端VDD，同时，QA1的集电极作为差分对的正电压输出端连接到电压-电流转换电路3的输入端。
类似地，类限幅差分放大电路4C、4D、4E也具有相同的结构，其正输入端QC1、QD1、QE1的基极均与QA1的基极相连作为整个电路的输入端，与温度传感器的输出相连，QC1、QD1、QE1的集电极相连，并连接至电压-电流转换电路3的输入端。类限幅差分放大电路4C、4D、4E的负输入端晶体管QC2、QD2、QE2的基极分别地输入恒定参考电压VREFL1、VREFH1、VREFH2。QC2、QD2、QE2的集电极相连，并通过电阻R9A与电源VDD相连接。其中，考虑到当拐点温度T0偏移较大时，拐点两侧曲线的不对称情况加大，增加了针对边缘情况进行补偿的类限幅差分放大电路4E，并由QCP支路提供了一支补偿电流以消除零次分量偏差。
类限幅差分放大电路4B的结构相对比较特殊，它的输入与类限幅差分放大电路4A相比有着反相的特征。输入信号VIN被加到晶体管QB2的基极上，恒定电平参考电压VREFM被加到晶体管QB1的基极上。双极型晶体管QB2的集电极通过采样电阻R9A连接到电源正极端VDD，同时，QB1的集电极作为差分对的正电压输出端连接到电压-电流转换电路3的输入端。当然，QB1和QB2分别经由串联反馈电阻RB1和RB2联接到电流镜中电路2的双极型晶体管Q4的集电极。由于类限幅差分放大电路4B的输入与类限幅差分放大电路4A的相反，所以它们的输出也具有反相的特征。
注意到，输入至类限幅差分放大电路4A至4G的参考电压VREFH2到VREFL1的大小具有一定特征。鉴于输入信号VIN是随温度单调递减的类一次函数，参考电压VREFH3到VREFL1的大小被设定为， VREFH2>VREFH1>VREFM>VREFL1。其中VREFH针对低温部分进行拟合，VREFL针对高温部分进行拟合。
下面详细论述三阶幂函数电流产生电路的工作原理。如前所述，三阶幂函数电流产生电路可以看作是由针对高温部分的电流产生部分、低温部分的电流产生部分和中温部分的电流产生部分组成。电路图如图22所示，在五阶幂函数电流产生电路中，类限幅差分放大电路4A、4B构成了中温部分的电流，类限幅差分放大电路4C产生了高温部分的电流分量，而类限幅差分放大电路4E、4D构成了低温部分的电流分量，其中类限幅差分放大电路4E是用于消除不对称性的扩展低温电流分量。整个电流的输出特性图如图23至图28所示，其中实线是竖轴表示的值，虚线是各差分对输出的分量。
现对不同的温度范围进行分别论述。先考虑类限幅差分放大电路4A、4B的情况，它们产生了中温范围内随温度变化较小的电流。如前所述，类限幅差分放大电路4A产生的电流如图23所示。注意到图22电路中，类限幅差分放大电路4B电路的输出极性与类限幅差分放大电路4A相反，故对类限幅差分放大电路4B产生的电流进行调整，以消除类限幅差分放大电路4A产生电流中的一阶分量。如前所述，当VIN-VREFM=ITAILBRB+3VT是线性部分与一个输入管进入截止区的临界点。故可以通过调整理ITAILBRB的值，将临界点的位置进行调整。在类限幅差分放大电路4B中，通过采用一个大的ITAILBRB的值，将线性部分的范围扩大到整个VIN的范围内，也就是说得到了一个全温度范围内的一阶函数，如图23所示，将图23与图24所示电流值进行叠加，就可以获得一个中间温度内输出电流平坦的输出电流曲线。
现考虑高温部分的情况。当温度较低时，此时VIN的值远大于VREFL1。QC1工作于放大区，而QC2截止。此时输出电流分别为-ITAILC。随着温度的升高，VIN的值逐渐降低，当VIN的值小于VREFL1+ITAILCRC+3VT时，此时QC2导通，输出电流随温度呈线性变化，如图25所示。
低温部分稍微复杂一些。当温度较高时，此时VIN的值远小于VREFH1。QD2工作于放大区，而QD1截止。此时输出电流为ITAILD。随着温度的降低，VIN的值逐渐升高，当VIN的值大于VREFH1-ITAILDRD-3VT时，此时QD1导通，输出电流随温度呈线性变化，如图26所示。如此拟合出三阶幂函数的低温部分。
如前所述，当中心温度偏移超出25-30℃的范围时，此时低温状态下最大值与最高温的极值的差值会显著加大，此时不得不通过对低温部分增加类限幅差分放大电路4E来进行调整。如图27所示，增加差分对会引入一个常数项偏差或称为零阶偏差，为了对这个常数项进行弥补，引入了QCP支路，尾电流被设定为与差分对4E的尾电流源幅度相同且反相，这样可以将类限幅差分放大电路4E支路产生的零阶电流抵销，以实现对零阶偏差进行校准。事实上，可以通过增加差分电路与补偿电流的方法获得更宽的温度补偿范围与更高的精度。
最终各路电流相加，得到如图28所示的三阶幂函数电流拟合曲线。
由上述线性拟合的方法可以获得三、四、五阶以至更高阶的函数曲线，并实现了一个更宽的温度范围的调整。由于现有集成电路工艺中，双极型晶体管的闪烁噪声远低于MOS型场效应管，而闪烁噪声在电路噪声的低频端占主导地位，故双极型晶体管的使用，拥有更高的噪声的优势，以至于取得了更大的电流裕度，也使得采用更高阶函数进行温度补偿以获得更高精度的办法成为现实。
Claims (8)
1.一种用于晶振温度补偿的模拟高阶幂函数发生电路，其特征在于，它包括依次连接的温度传感器、幂函数电流产生电路、跨阻放大器与电压加法器；温度传感器通过将外部温度转换成对应的线性的电压函数送入幂函数电流产生电路的输入端，幂函数电流产生电路将温度传感器输出的温度函数转换为对应的高阶函数曲线并通过跨阻放大器转换为电压，再通过电压加法器与一阶函数、零阶校准函数相加成所需电压；所述幂函数电流产生电路包括i+j个带有射极负反馈的双极型类限幅差分对，其中i是大于等于4的整数，j为大于等于1的整数；
所述j个差分对作为针对宽中心温度偏移范围时的额外的补偿电路用于对低温范围进行更精确的补偿，j个差分对中的输入差分对管与尾电流源均由双极型晶体管构成；
所述i个差分对的一个输入端共同地与温度传感器的输出端相连，另一个输入端依次与逐渐增加的恒定参考电压源相连，通过差分对电路中的类限幅差分放大器将电压转换为电流；其中，奇数阶情况下，第一和第二差分放大器被设置为输入相同的信号且输出相反的极性，其余（i-2）个差分电路输出具有与第一差分放大器输出相同、与第二差分放大器输出相反的极性，偶数阶情况下，第一、第二差分放大器被设置为相同的极性，输入参考电压低于第一差分放大器的被设置为与第一差分放大器的输出极性相同，输入参考电压高于第一差分放大器的被设置为与第一差分放大器相反的极性；通过运放与电阻构成的负反馈电压电流转换器转换为差分电流，在通过输出结点时，进行相加，得到n阶幂函数电流。
2.根据权利要求1所述的模拟高阶幂函数发生电路，其特征在于，所述输入的恒定参考电压小于设定的中心温度对应的温度传感器输出电压的各差分对，对应生成高温范围的幂函数；输入的恒定参考电压大于设定的中心温度对应的温度传感器输出电压的各差分对，对应生成低温范围的幂函数；输入的恒定参考电压等于或接近于设定的中心温度对应的温度传感器输出电压的差分对对应抵销一次项，生成平坦的中温度范围部分。
3.根据权利要求2所述的模拟高阶幂函数发生电路，其特征在于，
所述偶数阶情况下，生成高温幂函数的差分放大器与生成低温部分幂函数的差分放大器的输出具有相反的极性，并取消了生成中温部分幂函数的差分放大器。
4.根据权利要求1所述的模拟高阶幂函数发生电路，其特征在于，所述j个差分对作为扩展低温范围差分对，用于拟合低温范围的边缘结果；j个差分对具有与i个差分对中生成低温范围的差分对的输出具有相同的极性；j个差分对一端与温度传感器输出相连接，另一端与恒定参考电压相连接，且该恒定参考电压就大于等于前述i个差分对中恒定参考电平的值。
5.根据权利要求1所述的模拟高阶幂函数发生电路，其特征在于，所述电路中还包括复制补偿电流源用以消除i+j个差分对中引入的零阶偏移。
6.根据权利要求5所述的模拟高阶幂函数发生电路，其特征在于，所述高阶幂函数发生电路分为奇数阶幂函数发生电路和偶数阶幂函数发生电路，奇数阶幂函数发生电路中复制补偿电流源的电流幅值等于j个扩展低温范围差分对尾电流的和，偶数阶幂函数发生电路中复制补偿电流源的电流幅值等于i+j个差分对尾电流的和。
7.根据权利要求1所述的模拟高阶幂函数发生电路，其特征在于，所述高阶幂函数发生电路中的五阶幂函数发生电路，被设置为i=6且j=1，其中第一与第二双极型差分对输入的恒定电平参考电压相同，第三至第七双极型差分对输入的恒定电平参考电压顺序增加，第四差分对输入的恒定电平参考电压小于第一、第二双极型差分对输入的恒定电平的参考电压，第五差分对输入的恒定电平参考电压小于第一、第二双极型差分对输入的恒定电平的参考电压，第七双极型差分对具有最大的恒定电平参考电压；所述高阶幂函数发生电路中的四阶幂函数发生电路，被设置为i=6且j=1，其中第一到第七输入的恒定参考电平顺序增加；所述高阶幂函数发生电路中的三阶幂函数发生电路，被设置为i=4且j=1，其中第一与第二双极型差分对输入的恒定电平参考电压相同，第三至第五双极型差分对输入的恒定电平参考电压顺序增加，第三差分对输入的恒定电平参考电压小于第一、第二双极型差分对输入的恒定电平的参考电压，第四差分对输入的恒定电平参考电压小于第一、第二双极型差分对输入的恒定电平的参考电压，第五双极型差分对具有最大的恒定电平参考电压。
8.根据权利要求7所述的模拟高阶幂函数发生电路，其特征在于，所述五阶幂函数发生电路中复制补偿电流源的电流幅值等于第七双极型差分对尾电流源的电流幅值；所述三阶幂函数发生电路中复制补偿电流源的电流幅值等于第五双极型差分对尾电流源的电流幅值；所述四阶幂函数发生电路中复制补偿电流源中的电流幅值等于第一至第七个差分对尾电流的和。
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