一种基于电流函数生成的晶体振荡器温度补偿电路

本发明属于频率控制与温度补偿，具体涉及一种基于电流函数生成的晶体振荡器温度补偿电路。

背景技术：

1、晶体振荡器是一种能提供参考信号的频率源，在现代通信、导航系统及各类精密电子仪器中得到了广泛应用。随着科技的发展，电子系统对频率源的性能需求越来越高，但晶体振荡器的频率稳定性受环境温度影响显著，高精度温度补偿晶体振荡器成为当前的研究热点之一。

2、传统模拟温度补偿电路通常仅利用三次方函数补偿晶体谐振器的切向温度特性。然而，随着对频率稳定度要求的进一步提升，晶体随温度变化的非线性特性变得更加复杂，仅靠三次方补偿已无法覆盖高阶温漂误差。此外，现有的模拟补偿方案往往采用多级模拟乘法器串联，这不仅导致电路结构复杂、功耗大，且级联产生的噪声会被逐级放大，严重恶化振荡器的相位噪声。现有的电压域调理电路还容易引入额外的非线性失真，限制了补偿精度的进一步提升。因此，开发一种结构精简的四次、五次方补偿方案具有重要的实用价值。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于电流函数生成的晶体振荡器温度补偿电路。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、本发明实施例提供了一种基于电流函数生成的晶体振荡器温度补偿电路，包括：

3、温度检测电路，用于输出与温度变化呈线性关系的温度指示电压，并产生多种参考基准电压；

4、函数产生电路，与所述温度检测电路连接，包括四次方电流产生电路和五次方电流产生电路，用于基于所述多种参考基准电压分别产生四次方电流和五次方电流；

5、电流合成与电流-电压转换电路，与所述函数产生电路连接，用于将所述四次方电流和五次方电流相加后转换为非线性补偿电压信号；以及，

6、电压叠加电路，与所述电流合成与电流-电压转换电路和所述温度检测电路分别连接，用于将所述非线性补偿电压信号与所述温度指示电压叠加，生成补偿电压信号。

7、在本发明的一个实施例中，所述温度检测电路包括带隙基准电路和一次方电压产生电路，所述带隙基准电路用于产生不随温度变化的多种参考基准电压，所述一次方电压产生电路用于输出与温度呈线性关系的温度指示电压。

8、在本发明的一个实施例中，所述温度检测电路包括：mos管m1、mos管m2、mos管m3、mos管m4、mos管m5、mos管m6、mos管m7、mos管m8、电阻r1、电阻r2、电阻r3、三极管q1、三极管q2、运算放大器op1、分压电阻r4_1、分压电阻r4_2、分压电阻r4_3、分压电阻r4_4、分压电阻r4_5、分压电阻r4_6、mos管mcs1和mos管mcs2；

9、所述mos管m1的源极、mos管m5的源极、mos管m6的源极、mos管m7的源极、mos管m8的源极连接电源电压端vdd，mos管m1的栅极连接mos管m1的漏极和mos管m2的源极；

10、所述mos管m2的栅极连接mos管m2的漏极、mos管m3的漏极和mos管m4的栅极；mos管m3的栅极输入基准电压vbg；mos管m4漏极连接mos管m5的栅极、mos管m6的栅极、mos管m7的栅极、mos管m8的栅极和运算放大器op1的输出端；mos管m5的漏极连接电阻r3的一端、三极管q1的发射极和运算放大器op1的同相输入端；mos管m6的漏极连接电阻r2的一端、电阻r1的一端、运算放大器op1的反相输入端，且输出温度指示电压vct；电阻r2的另一端连接三极管q2的发射极；三极管q1的基极连接三极管q2的基极且连接接地端gnd；分压电阻r4_1、分压电阻r4_2、分压电阻r4_3、分压电阻r4_4、分压电阻r4_5、分压电阻r4_6串联，且mos管m7的漏极连接分压电阻r4_1的一端且连接mos管m3的栅极；mos管m8的漏极连接mos管mcs1的漏极且输出偏置电压vbup；mos管mcs1的源极连接mos管mcs2的漏极和栅极且输出偏置电压vbdn；

11、所述mos管m3的源极、mos管m4的源极、电阻r3的另一端、三极管q1的集电极、三极管q2的集电极、电阻r1的另一端、分压电阻r4_6的另一端、mos管mcs2的源极连接接地端gnd；

12、mos管m7和分压电阻r4_1之间输出基准电压vbg，分压电阻r4_1和分压电阻r4_2之间输出参考基准电压vrefh2，分压电阻r4_2和分压电阻r4_3之间输出参考基准电压vrefh1，分压电阻r4_3和分压电阻r4_4之间输出参考基准电压vrefm，分压电阻r4_4和分压电阻r4_5之间输出参考基准电压vrefl1，分压电阻r4_5和分压电阻r4_6之间输出参考基准电压vrefl2。

13、在本发明的一个实施例中，所述四次方电流产生电路包括差分放大器a、差分放大器b、差分放大器c和差分放大器d；

14、所述差分放大器a、差分放大器b、差分放大器c、差分放大器d均包括差分对管、源极负反馈电阻以及层叠nmos尾电流管；其中，层叠nmos尾电流管中一个晶体管的源极接地，且层叠nmos尾电流管栅极由所述温度检测电路输出的偏置电压分别控制，漏极连接源极负反馈电阻；每个差分对管中，一个晶体管的栅极输入所述温度指示电压，漏极连接于节点n1且输出合路电流ipout，另一个晶体管的栅极输入对应的所述参考基准电压，漏极连接接于节点n2且输出合路电流inout；

15、所述差分放大器a、所述差分放大器b、所述差分放大器c、所述差分放大器d输入的参考基准电压依次增大；

16、所述差分放大器c中，层叠nmos尾电流管的宽长比为其他差分放大器中层叠nmos尾电流管的2倍，且源极负反馈电阻的阻值大于其他差分放大器中源极负反馈电阻的阻值。

17、在本发明的一个实施例中，所述四次方电流产生电路还包括偏置电流支路；

18、所述偏置电流支路包括mos管mg、电阻rg以及与电阻rg连接的层叠nmos尾电流管；其中，所述mos管mg的栅极输入对应的参考基准电压，漏极连接于所述节点n2，源极经所述电阻rg连接至层叠nmos尾电流管的漏极；层叠nmos尾电流管的源极接地，栅极由所述温度检测电路输出的偏置电压分别控制；

19、所述差分放大器a、所述差分放大器b、所述mos管mg的栅极、所述差分放大器c、所述差分放大器d输入的参考基准电压依次增大，所述mos管mg的栅极输入的参考基准电压等于参考温度下所述温度指示电压的值。

20、在本发明的一个实施例中，所述四次方电流产生电路还包括电流复制单元，所述电流复制单元包括运算放大器op2、电阻rl1、电阻rl2和mos管m9；

21、所述电阻rl1连接于所述节点n1和电源电压端vdd之间；所述电阻rl2连接于所述电源电压端vdd和所述mos管m9的源极之间；所述电阻rl1的阻值与所述电阻rl2的阻值相等；

22、所述运算放大器op2的同相输入端连接所述节点n1，反相输入端连接所述mos管m9的源极，输出端连接所述mos管m9的栅极；所述mos管m9的漏极连接所述节点n2，且输出电流iout4=ipout-inout。

23、在本发明的一个实施例中，所述五次方电流产生电路在所述四次方电流产生电路的基础上还包括：差分放大器e和差分放大器f；

24、所述差分放大器e和差分放大器f均包括差分对管、源极负反馈电阻以及与源极负反馈电阻连接的层叠nmos尾电流管；其中，层叠nmos尾电流管中一个晶体管的源极接地，且层叠nmos尾电流管栅极由所述温度检测电路输出的偏置电压分别控制，漏极连接源极负反馈电阻；每个差分对管中，一个晶体管的栅极输入所述温度指示电压，漏极连接于节点n1且输出合路电流ipout，另一个晶体管的栅极输入对应的所述参考基准电压，漏极连接于节点n2且输出合路电流inout；

25、所述差分放大器e、所述差分放大器a、所述差分放大器b、所述差分放大器d、所述差分放大器f输入的参考基准电压依次增大，所述差分放大器b于所述差分放大器c输入的参考基准电压相等。

26、在本发明的一个实施例中，所述电流合成与电流-电压转换电路包括运算放大器op3和可变电阻rv；

27、所述运算放大器op3的同相输入端输入基准电压vbg，反相输入端输入所述五次方电流iout5；所述可变电阻rv的一端输入所述四次方电流iout4；所述运算放大器op3的反相输入端连接所述可变电阻rv的输入端；所述运算放大器op3的输出端连接所述可变电阻rv的另一端且输出非线性补偿电压信号vout。

28、在本发明的一个实施例中，所述电压叠加电路包括电阻r1、电阻r2、电阻rf和运算放大器op4；

29、所述电阻r2和所述电阻rf串联；所述电阻r1的一端输入所述温度指示电压，另一端连接所述运算放大器op4的反相输入端并且连接在所述电阻r2和所述电阻rf之间；所述电阻r2的一端输入所述非线性补偿电压信号；所述运算放大器op4的同相输入端输入基准电压vbg，输出端连接所述电阻rf的输出端且输出补偿电压信号vc。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果：

31、本发明晶体振荡器温度补偿电路通过引入四次及五次方高阶温度补偿机制，有效提升了晶体振荡器在宽温度范围内的频率稳定度与补偿精度，在不同温度条件下，温度补偿电压对晶体振荡器的频率补偿效果良好。随着温度变化，温度补偿电压所带来的相对频偏与晶体谐振器随温度的频偏相互补偿，从而可实现较为良好的温度补偿性能。相互叠加后的残余相对频偏结果显示，在-40~85℃的温度范围内，该温度补偿晶体振荡器的频率稳定度可达到±0.6ppm，实现了良好的频率温度稳定度。