专利名称：晶体振荡器电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及晶体振荡器(crystal oscillator)电路，其主要应用为TCXO (温度补偿Xtal振荡器)，并且，其在宽温度范围中输出稳定的振荡频率， 特征在于低功耗，并且需要极好的相位噪声特性。
背景技术：
要求蜂窝式电话传递高话音质量，并且，作为TCXO (温度补偿Xtal振 荡器)，提供了在宽温度范围中的士0.5至土2.5ppm或以下的非常高的频率稳定 性、以及低噪声相位噪声特性和较低的功耗。将描述相关技术的CMOS反相器型晶体振荡器电路。图5是相关技术中 的CMOS反相器型晶体振荡器电路的示例电路配置。在图5中，CMOS反相器型晶体振荡爭电路4包括晶体振动器(crystal vibrator) 41、以及反馈电阻器42，反馈电阻器42的两端分别连接到CMOS 反相器40的输入和输出。CMOS反相器型振荡器电路4的源极电压连接到不 具有温度特性的电源电路(下文中称为无温度特性的电源电路)30的输出部 分。无温度特性的电源电路30包括放大器2、反馈电阻器10和电阻器11。 放大器2的输出端V2连接到电阻器10的一端。反馈电阻器10的另一端连 接到放大器2的负输入端V3、以及电阻器ll的一端，并且，电阻器ll的另 一端接地。放大器2的正输入端Vl连接到电压源1,电压源l使用带隙调节 器(band gap regulator)等而抵抗电源VCC的变化，并显示出较小的温度变 化。这样，图4中示出的相关技术的晶体振荡器电路包括电压源1、无温度 特性的电源电路30、以及CMOS反相器型振荡器电路4。将描述由此配置的CMOS反相器型晶体振荡器电路的操作。 在图5中，将具有小温度特性变化的稳定的电压从电压源提供到无温度 特性的电源电路30。使用通过反馈电阻器10和电阻器11而被放大的无温度 特性的电源电路30的输出V2,作为CMOS反相器型振荡器电路4的电源电压。这样，基于抵抗电压VCC、并显示出较小的温度变化的电源电路30的 输出用于CMOS反相器型振荡器电路4的电源电压的假定，已探索出TCXO 所需的较高的频率稳定性(例如，参照JP-A-11-097932)。尽管使用相关技术中的无温度特性的电源电路30的CMOS反相器型晶 体振荡器电路抵抗电压VCC的变化，但振荡器电路4中的CMOS反相器40 具有有着-2mv厂C的温度特性的阈值电压VT，并且，由此，在振荡器电路4 的振荡特性(如电流消耗和负阻抗)中出现较大的温度变化。在阈值电压VT 温度特性的顶端，阈值电压VT自身的改变产生振荡特性的很大变化。即使在低噪声设计中提供了抵抗电压VCC的变化、并显示出较小的温度 变化的电压源1时，也通过电源电路30而对电压源1进行放大，并且，增大 了电压噪声。另一个问题在于，电压噪声随着在放大器2的反馈电阻器10中 生成的热噪声而恶化。发明内容本发明解决了上面的相关技术的问题。本发明的一个目的在于，提供这 样的晶体振荡器电路，其能够显著改善由包括CMOS反相器的振荡器电路的 阈值电压VT中的温度变化引起的电流消耗和负阻抗中的变化。本发明的另 一个目的在于，提供包括CMOS反相器的晶体振荡器电路，其能够显著改善 由晶体振荡器电路的阈值电压VT中的变化引起的特性变化、并确保低噪声 设计。根据本发明的晶体振荡器电路的特征在于包括CMOS反相器型振荡器 电路，其包括晶体振动器；以及电源电路，用于向CMOS反相器型振荡器电 路提供具有补偿CMOS反相器型振荡器电路的阈值电压的温度特性的温度特 性的输出电压。通过此配置，包括了用于向CMOS反相器型振荡器电路提供具有补偿电源电路。这使得有可能显著改善由CMOS反相器型振荡器电路的阈值电压 的温度特性引起的振荡特性变化。根据本发明的晶体振荡器电路的特征在于，该电源电路包括用于向该电 源电路提供参考电压的电压源。 根据本发明的晶体振荡器电路的特征在于，该电压源包括带隙调节器。根据本发明的晶体振荡器电路的特征在于包括调节器(regulator)电路， 用于调节该电源电路的输出电压。通过以上配置，有可能通过使用调节器电路，取决于阈值电压VT的变 化，而选择最优输出电压，由此，有可能显著改善由CMOS反相器型振荡器 电路的阈值电压的变化引起的振荡特性的变化。根据本发明的晶体振荡器电路的特征在于，该电源电路包括放大器， 用于在正输入端接收参考电压，并向CMOS反相器型振荡器电路提供输出电 压；第一二极管，其阳极连接到该放大器的输出端，而其阴极连接到该放大 器的负输入端；以及第一电阻器，其连接在该放大器的负输入端和地之间。端的输出部分中使用第一二极管。这显著减小了电源电路输出电压噪声，并 且，由此，改善了晶体振荡器电路特性之中的对于增大话音质量来说尤其重 要的相位噪声特性。根据本发明的晶体振荡器电路的特征在于，该电源电路包括放大器， 用于在正输入端接收参考电压，并向CMOS反相器型振荡器电路提供输出电 压；第二二极管，其阳极连接到该放大器的输出端；第二电阻器，其连接在 第二二极管的阴极和该放大器的负输入端之间；第三电阻器，其连接在该放 大器的负输入端和地之间；以及调节器电路，用于通过调节第二电阻器和第 三电阻器中的至少任 一 个的阻抗值、而调节电源电路的输出电压。根据本发明的晶体振荡器电路的特征在于，该电源电路包括放大器， 用于在正输入端接收参考电压，并向CMOS反相器型振荡器电路提供输出电 压；第二电阻器，其一端连接到该放大器的输出端；第二二极管，其阳极连 接到第二电阻器的另一端，而其阴极连接到该放大器的负输入端；第三电阻 器，其连接在该放大器的负输入端和地之间；以及调节器电路，用于通过调 节第二电阻器和第三电阻器中的至少任一个的阻抗值、而调节电源电路的输 出电压。根据本发明的晶体振荡器电路的特征在于，第 一 或第二调节器电路包括 能够写入和读取数据的存储装置。根据本发明的晶体振荡器电路包括用于向CMOS反相器型振荡器电路提 供具有补偿CMOS反相器型振荡器电路的阈值电压的温度特性的温度特性的 输出电压的电源电路，这使得有可能显著改善由CMOS反相器型振荡器电路的阈值电压的温度特性引起的振荡特性变化。通过根据本发明的晶体振荡器电路，有可能通过调节具有温度特性的电 源电路的输出电压，而校正阔值电压的变化。此外，通过根据本发明的晶体 振荡器电路，有可能通过在电源电路的输出部分中使用二极管，而减小电源 电路的输出电压噪声，并且，由此减小晶体振荡器电路特性之中尤其重要的相位噪声。
图1是根据本发明的实施例1的CMOS反相器型晶体振荡器电路的框图。 图2是根据本发明的实施例2的CMOS反相器型晶体振荡器电路的框图。 图3 (a)是示出实施例1中的晶体振荡器电路的电流消耗的温度特性示 例的说明图。图3 (b)是示出实施例2中的晶体振荡器电路的电流消耗的温度特性示 例的说明图。图4(a)是根据本发明的串联提供了二极管的CMOS反相器型晶体振荡 器电路的框图。图4 ( b )是根据本发明的串联提供了电源电路的CMOS反相器型晶体振 荡器电路的框图。图5是相关技术的CMOS反相器型晶体振荡器电路的框图。
具体实施方式
(实施例1 )将通过参照附图来描述本发明的第一实施例。图l示出了根据第一实施 例的CMOS反相器型晶体振荡器电路的配置。图1中示出的CMOS反相器型 晶体振荡器电路包括参考电压源1、有温度特性的电源电路(下文中称为具 有温度特性的电源电路)31、以及CMOS反相器型振荡器电路4。在图1中， CMOS反相器型振荡器电路4包括晶体振动器41和反馈电阻器42,反馈 电阻器42的两端分别连接到CMOS反相器40的输入和输出；以及输出级中 的缓沖放大器(未示出)。CMOS反相器型振荡器电路4的电源电压连接到具 有温度特性的电源电路31的输出端V2。
具有温度特性的电源电路31包括放大器2、 二极管20、以及电阻器ll。 放大器2是具有为1的放大因子的緩冲器。二极管20具有补偿CMOS反相 器40的温度特性的温度特性。在具有温度特性的电源电路31中，放大器2 的输出端V2连接到二极管20的阳极，二极管20的阴极连接到放大器2的 负输入端V3、以及电阻器ll的一端，并且，电阻器ll的另一端接地。放大 器2的正输入端VI连接到稳定的电压源1,电压源1抵抗电源VCC的变化。 电压源1使用具有较小的温度特性变化且抵抗电压源VCC的变化的例如带隙 调节器的稳定的参考电压源。图1中示出的根据第一实施例的晶体振荡器电 路具有这样的配置。将描述具有这样的配置的根据第 一 实施例的晶体振荡器电路的操作。在图1中，将具有小温度特性变化的稳定的参考电压作为VI从电压源 提供到具有温度特性的电源电路31的输入端。使用通过二极管20和电阻器 11而被緩冲的具有温度特性的电源电路31的输出V2,作为CMOS反相器型 振荡器电路4的电源电压。在大信号输入特性中，通过线性区域来表示CMOS反相器型振荡器电路 4中的CMOS反相器40的电学特性。通常，通过以下表达式来表示漏极电流 (下文中称为Id)、栅极-源极电压(下文中称为Vgs)、以及阈值电压(下文 中称为Vt)之间的关系Id=K'W/L[(Vgs-Vt)A2-0.5*VdsA2][l+Wds] ( 1 )在表达式(1 )中，K'=)inCOX-(对于n型MOS )、叩COX-(对于p型 MOS),其中，COX-: ;f册极氧化膜电容，电子的迁移率，W:空穴的迁 移率，W: MOS的栅极宽度，L: MOS的栅极长度，以及X:沟道长度改变 因子。对于表达式(1 ),应理解，在栅极-源极电压Vgs和阈值电压Vt之间的 差(Vgs-Vt)的值恒定的情况下，漏极电流Id恒定，即，CMOS反相器型振 荡器电路4的电流消耗恒定。阈值电压VT通常具有-2mv厂C的温度特性，使得栅极-源极电压Vgs也需 要同等的温度特性。实现其的最有效的方法在于，向CMOS反相器型振荡器 电路4的电源电压提供等价于阈值电压VT的温度特性的温度特性。在第一 实施例中，这通过在具有温度特性的电源电路31的输出部分中添加具有-2mv/ 。C的温度特性的二极管20而成为可能。 图3 (a)是示出根据实施例1中的振荡器电路的电流消耗的温度变化系 数的图。在图3中，直线110示出了实施例1中的温度特性的例子。为了比 较，将相关技术中的温度特性的例子示出为虛线110。根据图3(a),应理解， 尽管在相关技术中、振荡器电路的电流消耗已随着温度变化而在实质上改变， 但在实施例1中，抑制了温度特性的变化，并且，无论温度如何，均将电流 消耗保持为几乎恒定。通过利用二极管20的-2mv/。C的温度特性来补偿振荡器电路4中的 CMOS反相器40的阈值电压VT的-2mv厂C的温度特性，有可能显著减小振 荡器4的电流和负阻抗中的温度特性变化，这在相关技术的系统中是困难的 途径。使用二极管20的具有温度特性的电源电路31是具有为1的放大因子的 简单的緩冲器。假定对应端子上的电压V1 、 V2和V3的电压噪声分别为NV1 、 NV2和NV3，则所述电压噪声相等NV1=NV2=NV3 (2)尽管在相关技术中、电压噪声增大了在放大器2中对电压放大的量那么 多，但在实施例l中，不放大电压噪声。这显著减小了电压噪声。尽管在相关技术中、来自反馈电阻器10 (参照图4)的热噪声是使电压 噪声恶化的因素，但与相关技术相比，用二极管20替代了电阻器10,并且， 减d、并优化了流过二极管20的电流，以减'J、散粒噪声(shot noise ),从而减 小了来自放大器2的噪声。如上面提到的，根据第一实施例，有可能减小诸如振荡器电路4的电流 消耗和负阻抗的温度特性的变化，这在相关技术的系统中是困难的途径。此外，显著地减小了来自电压电路的电压噪声，由此，减小了晶体振荡器电路 特性之中尤其重要的相位噪声。 (实施例2 )将通过参照附图来描述本发明的第二实施例。图2示出了根据第二实施 例的CMOS反相器型晶体振荡器电路的配置。在下面的描述中，对与已经描 述的部件相对应的部件赋予相同的附图标记，并省略详细描述。在第二实施例中，CMOS反相器型振荡器电路4的电源电压连接到具有 温度特性的电源电路31的输出端V2。具有温度特性的电源电路31包括放大 器2、 二极管20、可变电阻器12、以及可变电阻器13。
放大器2的输出端V2连接到二极管20的阳极。二极管20的阴极连接 到可变电阻器13的一端。可变电阻器13的另一端连接到放大器2的负输入 端V3和可变电阻器12的一端。可变电阻器12的另一端接地。放大器2的正输入端VI连接到抵抗电压VCC中的变化的稳定的电压源 1。可变电阻器12、 13连接到调节器电路(PROM) 5,其用于通过改变可变 电阻器12、 13的阻抗值而调节具有温度特性的电源电路32的输出电压。图 2中示出的根据第二实施例的晶体振荡器电路具有这样的配置。将描述具有这样的配置的根据第二实施例的晶体振荡器电路的操作。与实施例1中描述的具有温度特性的电源电路31相同，根据实施例2的 具有温度特性的电源电路32具有减小振荡器电路4的阈值电压VT的温度特 性的变化的效果、以及减小具有温度特性的电源电路32的电压噪声的效果。 此外，在实施例2中，调节器电路(PROM) 5可通过改变可变电阻器12或 13的阻抗值，而任意调节输出电压V2。由此，有可能根据振荡器4中的CMOS 反相器40的阈值电压VT的变化，而选择最优的输出电压V2。由此，在关系表达式(1 )中，栅极-源极电压和阈值电压之间的差(Vgs-Vt) 保持恒定，并且，漏极电流Id恒定。换句话说，CMOS反相器型振荡器电路 4的电流消耗保持恒定，并且，有可能校正诸如负阻抗以及电流消耗的振荡 特性的变化。图3 (b)是示出与实施例2中的振荡器电路中的阈值电压VT的变化有 关的电流消耗的变化系数的图。在图3 (b)中，虛线110至112示出了相关技术中的VT的变化中的温 度特性。直线IIO、 111和112分别示出了针对于阈值电压Vt (typ)、阈值电 压Vt ( max)和阈值电压Vt ( min)的电流消耗变化系数。直线110至102示出了在实施例2中，在根据阈值电压VT的变化而调 节了振荡器电路的电压电源之后得到的温度特性的例子。直线100、 101和 102分别示出了针对于阈值电压Vt (typ)、阈值电压Vt (max)和阈值电压 Vt ( min )的电流消耗变化系数。根据图3(b),应理解，尽管在相关技术中、振荡器电路的电流消耗已 随着温度变化和阈值电压VT的变化而在实质上改变，但在实施例2中，尽 管是在阔值电压VT的变化的情况下，仍抑制了温度特性的变化，并且，无 论温度如何，均将电流消耗保持为几乎恒定。
如上面提到的，根据实施例2,与相关技术中的振荡器电路的阈值电压VT的变化所引起的振荡特性的大变化不同，根据振荡器电路的阈值电压VT 的变化而选择输出电压V2,由此，允许校正晶体振荡器电路的电流消耗的变 化、以及例如负阻抗的振荡特性。尽管在具有温度特性的电源电路31中使用了可变电阻器12和13,但可 变电阻器12或13可为固定电阻器。在所述两者均为可变电阻器的情况下， 可分别利用电流可变调节和电压可变调节来改变可变电阻器12和13的阻抗 值，以便得到最佳地减小电压噪声并最佳地调节输出电压的解决方案。用于通过使用调节器电路(PROM) 5来调节可变电阻器12、 13的阻抗 值的方法包括用于串联或并联连接多个电阻器、并通过利用开关而直接使 各个电阻器短路/开路而改变阻抗值的方法；以及用于通过在位于电阻器体 (例如，电阻器控制旋钮)的中点的多个抽头开关(tap switch)之间进行选 ^r而调节阻抗值的方法。通过覆写调节器电路(PROM) 5的数据，而进行这 些开关的控制。如上所述，利用根据此实施例的晶体振荡器电路，通过使用包括具有等 价于振荡器电路的CMOS阈值电压VT的温度特性的温度特性的二极管的、 具有温度特性的电源电路的输出，而解决了由于CMOS反相器型振荡器电路 的CMOS阈值电压VT的温度特性或变化而造成的诸如电流消耗和负阻抗的 特性的变化的问题。由此，有可能补偿CMOS反相器型振荡器电路的温度特 性变化。此外，有可能通过调节具有温度特性的电源电路的输出电压，而校正振 荡器电路的CMOS阈值电压VT的变化。通过在电源电路的输出部分中使用 二极管，可在设计中减小电源电路的输出电压噪声，由此，减小晶体振荡器 电路特性之中的尤其重要的相位噪声。另外，尽管在第一和第二实施例中，CMOS反相器的阈值电压VT是 -2mv〃C ，但在CMOS反相器的阈值电压VT是-4mv/。C的情况下，在第 一 实 施例中，有可能如图4(a)所示通过串联提供各自具有-2mv〃C的温度特性的 两个二极管20、或如图4(b)所示通过串联提供各自具有-2mv/。C的温度特 性的两个电源电路31，而提供具有等价于阈值电压VT的温度特性的-4mv/ 。C的温度特性的CMOS反相器型振荡器电路的电源电压。同样，自不必说， 可将此改变应用于第二实施例。
此外，尽管在上述实施例中、二极管用于补偿CMOS反相器型振荡器电 路的阔值电压的温度特性，但可使用其它元件，如具有补偿CMOS反相器型 振荡器电路的阈值电压的温度特性的温度特性、而无噪声特性的寄存器 (register )。此外，可在具有温度特性的电源电路和CMOS反相器型振荡器电路之间 提供緩冲器电路。本发明具有这样的效果通过使用具有二极管的温度特性的电源电路作 为振荡器电路的电源，而减小CMOS反相器型振荡器电路的温度特性变化， 其中，该二极管具有等价于CMOS反相器型振荡器电路的CMOS阈值电压 VT的温度特性的温度特性。本发明具有TCXO (温度补偿Xtal振荡器)的 主要应用，并且，其对于在宽温度范围中输出稳定的振荡频率、特征在于低 功耗、且需要极好的相位噪声特性的晶体振荡器电路来说是有用的。
权利要求
1、一种晶体振荡器电路，包括CMOS反相器型振荡器电路，其包括晶体振动器；以及电源电路，用于向所述CMOS反相器型振荡器电路提供具有补偿所述CMOS反相器型振荡器电路的阈值电压的温度特性的温度特性的输出电压。
2、 如权利要求1所述的晶体振荡器电路，其中，所述电源电路包括用 于向所述该电源电路提供参考电压的电压源。
3、 如权利要求2所述的晶体振荡器电路，其中，所述电压源包括带隙 调节器。
4、 如权利要求1所述的晶体振荡器电路，还包括 调节器电路，用于调节所述电源电路的输出电压。
5、 如权利要求2所述的晶体振荡器电路， 其中，所述电源电路包括放大器，用于在正输入端接收所述参考电压，并向所述CMOS反相器 型振荡器电路提供输出电压；第一二极管，其阳极连接到所述放大器的输出端，而其阴极连接到所述 放大器的负输入端；以及第一电阻器，其连接在所述放大器的负输入端和地之间。
6、 如权利要求2所述的晶体振荡器电路， 其中，所述电源电路包括放大器，用于在正输入端接收所述参考电压，并向所述CMOS反相器 型振荡器电路提供输出电压；第二二极管，其阳极连接到所述放大器的输出端；第二电阻器，其连接在所述第二二极管的阴极和所述放大器的负输入端 之间；第三电阻器，其连接在所述放大器的负输入端和地之间；以及 调节器电路，用于通过调节所述第二电阻器和所述第三电阻器中的至少 任一个的阻抗值、而调节所述电源电路的输出电压。
7、 如权利要求2所述的晶体振荡器电路， 其中，所述电源电路包括放大器，用于在正输入端接收所述参考电压，并向所述CMOS反相器型振荡器电路提供输出电压；第二电阻器，其一端连接到所述放大器的输出端；第二二极管，其阳极连接到所述第二电阻器的另一端，而其阴极连接到 所述放大器的负输入端；第三电阻器，其连接在所述放大器的负输入端和地之间；以及调节器电路，用于通过调节所述第二电阻器和所述第三电阻器中的至少 任一个的阻抗值、而调节所述电源电路的输出电压。
8、如权利要求4、 6或7所述的晶体振荡器电路，其特征在于，调节器 电路包括能够写入和读取数据的存储装置。
全文摘要
具有温度特性的电源电路31的输出部分连接到包括晶体振动器的CMOS反相器型振荡器电路4的电源电压。具有温度特性的电源电路31包括放大器2、二极管20、以及电阻器11。放大器2的输出端V2连接到二极管20的阳极。二极管20的阴极连接到放大器2的负输入端V3、以及电阻器11的一端，并且，电阻器11的另一端接地。放大器2的正输入端V1连接到具有小VCC变化的电压源1。
文档编号H03B5/32GK101166012SQ200710180859
公开日2008年4月23日 申请日期2007年10月17日 优先权日2006年10月17日
发明者酒井基树 申请人:松下电器产业株式会社