使用二次温度补偿的用于振荡器的系统和方法

摘要

本发明涉及使用二次温度补偿的用于振荡器的系统和方法。公开了一种压控振荡器装置。该装置包括压控振荡器和二次扩展部件。压控振荡器具有调谐端口。调谐端口配置成根据所应用的电压选择操作频率。二次扩展部件配置成生成作为到调谐端口的所应用的电压的二次调谐电压。二次调谐电压根据线性温度补偿信号而被生成。

权利要求

1.一种压控振荡器装置，包括：

压控振荡器，具有调谐端口，其中所述调谐端口配置成根据所应用的电压选择操作频率；

二次扩展电路，配置成生成作为到调谐端口的所应用的电压的二次调谐电压，其中所述二次调谐电压根据线性温度补偿信号而被生成；以及其中所述二次扩展电路进一步包括：

线性补偿电路，配置成根据当前温度生成所述线性温度补偿信号；以及平方器电路，配置成根据所述线性温度补偿信号生成所述二次调谐电压的二阶项，其中所述平方器电路包括配置成通过偏置电流来缩放所述二阶项的跨导线性回路，并且其中所述二次扩展电路进一步配置成将所述缩放的二阶项与所述线性温度补偿信号进行组合以生成所述二次调谐电压。

2.权利要求1的装置，其中所述二次扩展电路进一步配置成使用温度不变电流生成所述二次调谐电压。

3.权利要求1的装置，其中所述二次扩展电路使用偏置电流缩放所述线性温度补偿信号。

4.权利要求1的装置，其中所述压控振荡器具有根据温度变化的一阶频率变化和根据温度变化的二阶频率变化。

5.权利要求4的装置，其中所述线性温度补偿信号缓解一阶频率变化。

6.权利要求5的装置，其中所述二次调谐电压缓解二阶频率变化。

7.权利要求6的装置，其中所述压控振荡器配置成以操作频率生成输出信号。

8.权利要求1的装置，其中所述线性温度补偿信号与绝对温度成比例。

9.一种用于生成二次温度补偿信号的二次扩展装置，所述装置包括：第一电流镜，配置成从线性温度补偿信号生成第一镜像电流；

第二电流镜，配置成从第一镜像电流生成第二镜像电流；

线性补偿部件，配置成根据当前温度生成所述线性补偿信号；

平方器电路，配置成从所述第二镜像电流生成二阶项；以及输出，配置成组合所述二阶项与所述第一镜像电流以生成二次温度补偿信号。

10.权利要求9的装置，其中所述线性补偿部件是与绝对温度成比例的部件。

11.权利要求9的装置，其中所述平方器电路包括晶体管的跨导线性回路。

12.权利要求11的装置，其中所述晶体管是PNP双极型晶体管。

13.权利要求11的装置，其中所述晶体管是NPN双极型晶体管，并且所述平方器电路包括温度不变电流源。

14.权利要求11的装置，其中所述平方器电路包括：辅助晶体管，配置成降低关于所述平方器电路的晶体管的基极电流。

15.一种使用二阶温度补偿来操作压控振荡器的方法，所述方法包括：获得当前温度；

根据所述当前温度生成线性温度补偿信号；

使用平方器电路从所述线性温度补偿信号生成二阶项；以及使用所述二阶项和所述线性温度补偿信号生成二次温度补偿信号。

16.权利要求15的方法，还包括根据所述二次温度补偿信号调节压控振荡器的操作频率。

17.权利要求16的方法，其中所述操作频率在所允许的频率范围内。

说明书

使用二次温度补偿的用于振荡器的系统和方法

背景技术

[0001] 诸如RF信号振荡器的信号振荡器被用在多种多样的应用中。应用包括例如信号处理、数据通信、电路测试、对象检测等等。关键特性在于信号振荡器生成具有稳定振荡频率的振荡信号。否则可能不适当地执行处理误差、通信误差、对象检测等等。

[0002] 影响振荡信号的一个环境条件是温度。温度的改变导致振荡频率的不想要的改变。改变被称为温度漂移。

[0003] 补偿压控振荡器（VCO）中的温度漂移的一种技术是使用锁相环（PLL）。该技术可以补偿温度漂移，然而向电路增加PLL增加了复杂性和成本。用于VCO的频率稳定化的可替换方案是使用具有合适温度系数的高Q（电介质）谐振器。然而，用于通过激光器进行频谱集中的成本和努力是高的。

[0004] 所需要的是在没有附加的昂贵部件的情况下缓解或计及温度漂移的技术。

附图说明

[0005] 图1是图示了使用二次扩展部件的压控振荡器装置的框图。

[0006] 图2是图示了使用在二次补偿电路中的平方电路的框图。

[0007] 图3是图示了具有减少数目的晶体管的平方电路的框图。

[0008] 图4是图示了具有二阶平方功能的二次扩展部件的图。

[0009] 图5是图示了使用二阶温度补偿操作压控振荡器的方法的流程图。

具体实施方式

[0010] 现在将参照附图各图来描述本发明，其中相同的参考标号自始至终用于指代相同的元件，并且其中所图示的结构和设备未必按照比例绘制。

[0011] RF信号振荡器用于包括但不限于通信系统、运动感测、雷达系统等等的应用。典型的RF振荡器是压控振荡器（VCO）。针对开锁RF信号振荡器装置的要求是它们具有低或接近于零的温度依赖性。

[0012] 典型的VCO具有温度依赖性以及该VCO的操作频率根据温度的改变而改变或漂移。该效应被称为温度漂移。

[0013] 计及温度依赖性的一种方案是使用锁相环（PLL）以稳定化VCO的操作频率。PLL可以用于将VCO锁定到石英稳定化的独立参考频率。在另一方案中，微处理器可以用于测量VCO的操作频率并且调节VCO以校正其操作频率。以上方案要求超出VCO自身的大量附加努力，这导致增加的材料清单、增加的管芯面积消耗和更高的功率消耗。

[0014] 计及温度依赖性或驱动的另一方案是省略PLL并且提供补偿信号或应用控制/调谐电压。操作频率的改变可以通过温度系数来表示。典型地，VCO的温度系数是负的，因为当温度增加时VCO晶体管的速度减小。VCO的调谐特性通常是正的，这意味着其操作频率随增加调谐电压而单调增加。补偿信号可以用于通过向VCO的调谐输入应用补偿信号来缓解VCO的温度系数和温度驱动。补偿信号由部件生成并且（在该示例情况中）具有与绝对温度成比例（PTAT）的特性。

[0015] 然而，典型的补偿信号可能不足以补偿调谐特性以将VCO维持在频率带宽要求内。这些要求可以相对较小，诸如200 MHz、100 MHz等等。在另一示例中，频率带宽要求被表达为相对带宽，诸如操作或VCO输出频率的0.4%至0.8%的带宽变化，诸如遍历-40摄氏度到85摄氏度的温度变化的24 GHz。典型的补偿信号不产出合适的精确性和补偿以将VCO维持在带宽要求内。

[0016] 以下描述的系统、装置、方法等等利用生成作为温度的二次函数的二次控制电压的扩展补偿部件。二次控制电压提供合适的分辨率以满足甚至相对较小的带宽要求。

[0017] 图1是图示了使用二次扩展部件的压控振荡器装置100的框图。装置100生成具有稳定操作频率的输出信号。

[0018] 装置100包括压控振荡器（VCO）102、与绝对温度成比例（PTAT）的部件108和扩展补偿部件110。

[0019] VCO 102以简化的形式被示出并且包括调谐端口104和输出106。将二次控制或调谐电压116应用于调谐端口104，以选择性地配置或调节VCO操作频率。控制电压或特性典型地（但未必）是正的，因为所应用的较高调谐电压导致较高的操作频率。输出106以控制电压指定的VCO操作频率供应振荡器输出信号112。输出信号112具有基本上稳定的操作频率并且由于所应用的二次控制电压而基本上不随温度改变而漂移。

[0020] VCO 102生成具有所选占空比和所选频率的输出信号112。在温度改变的情况下，由扩展部件110生成的二次控制电压116基本上补偿温度漂移。在一个示例中，所选频率在24.05 GHz至24.25 GHz的范围内。在另一示例中，所选频率在24.075 GHz至24.175 GHz的范围内。然而，要领会的是，其它频率可以用作所选频率。

[0021] PTAT部件108基于温度（诸如，来自环境温度的变化）生成线性补偿信号114。补偿信号114可以以电压或电流的形式并且提供用于温度漂移的线性补偿调节。PTAT部件108在一个示例中由电路组成。补偿信号114可以被应用于调谐端口104以至少部分地补偿温度漂移。

[0022] 二次扩展部件110配置成基于补偿信号114生成二次补偿电压116。二次补偿电压116提供二阶温度漂移补偿。二次扩展部件110可以实现在电路中，并且包括例如双极结型晶体管NPN或PNP。二次扩展部件110包括平方电路，该平方电路配置成生成补偿信号114的平方以便生成二次补偿电压116。

[0023] 二次扩展部件110使用二次公式或函数生成二次补偿/调谐信号，其被转换成二次调谐电压116并且应用于VCO 102的调谐端口104。此外，二次扩展部件110生成具有相对较低的功率消耗的调谐电压。以下提供二次扩展部件110的附加细节和示例。

[0024] 二次调谐电压116通过补偿二阶温度漂移来提供较高精确性和精度。线性温度补偿可能不补偿二阶温度漂移。二次调谐电压116可以将温度漂移缓解到小于所允许的温度漂移，其在一个示例中小于约20 MHz或小于操作频率的0.1％。在一个示例中，低温度漂移准许在脉冲模式中使用VCO 102，其中VCO被接通和关断并且温度漂移被充分地缓解以准许在启动时段期间使用VCO 102。固有的是，时域中的短脉冲固有地具有频域中的宽带宽。在另一示例中，低温度漂移准许在连续波模式中使用VCO 102。

[0025] 温度漂移是根据温度的VCO 102的振荡频率中的改变。可以根据温度系数（TC）来表达温度漂移。根据每温度改变的频率改变来限定温度系数。

[0026]

[0027] TC典型地为取决于VCO的调谐元件的负值。规范或要求可以要求阈值以下的温度漂移和相关联的TC。补偿信号114可以提供阈值以上的TC，但是二次补偿电压提供阈值以下的TC。

[0028] 可以通过调节偏置电流、缩放因子、晶体管值等等来校准二次扩展部件110。在一个示例中，可以在制造期间执行校准。在另一示例中，在操作期间通过比较输出信号112的实际频率与预期或所选操作频率来执行校准。

[0029] 诸如电容器之类的缓冲部件（未示出）可以连接到扩展部件110的输出，以便缓解由扩展部件110生成的噪声。

[0030] 图2是图示了使用在二次补偿电路中的平方电路200的框图。平方电路200是可以在图1中所示的二次扩展部件110中利用的合适电路的示例。平方电路200是高精度的并且是单个象限平方器。电路200使用五个双极结型PNP晶体管，然而，要领会的是，可以使用其它类型的晶体管（诸如双极型NPN晶体管）实现平方器电路200。

[0031] 平方电路200包括偏置电流源222、跨导线性（trans linear）回路220和PTAT电流源224和226。偏置电流源222生成基本上与温度无关的偏置电流。晶体管T5是配置成降低回路220中的双极型晶体管的基极电流的影响的辅助晶体管。

[0032] 跨导线性回路220包括双极型PNP晶体管T1、T2、T3和T4。晶体管T1使其发射极连接到供给电压VCC并且使其基极连接到其集电极。晶体管T2使其发射极连接到晶体管T1的集电极。晶体管T2的集电极连接到第二电流源226和晶体管T5的基极。晶体管T3使其基极连接到偏置电流源222，使其发射极连接到供给电压，并且使其集电极连接到输出端子228。晶体管T4使其发射极连接到电流源222和T3的基极，使其基极连接到T2的基极和其集电极。晶体管T4的集电极还连接到晶体管T5的发射极。晶体管T5的基极连接到第二PTAT电流源226并且其集电极连接到地。电流源224和226来自PTAT部件，诸如来自图1的PTAT部件108的补偿信号114。

[0033] 线性回路220具有以下关系：

[0034]

[0035] 其中 是基极电流并且IBIAS是温度不变偏置电流并且可以从电流源224和/或226提供的IPTAT导出。晶体管T5用来降低来自回路220的基极电流的影响。集电极电流IC3近似等于通过温度不变偏置电流IBIAS缩放的IPTAT的平方。

[0036] 提供在输出端子228处的输出电流IOUT是一阶项（在温度中线性的）IPTAT和二阶项（在温度中二次的）IC3之和。输出电流IOUT可以通过使用合适的电阻器被转换成二次调谐电压116。偏置电流IBIAS可以被缩放或调节成补偿温度漂移。因此，输出电流IOUT补偿直至二阶的VCO的频率漂移。

[0037] 图3是图示了具有降低数目的晶体管的平方电路300的框图。平方电路被用在二次补偿电路中。平方电路300是可以在图1中所示的二次扩展部件110中利用的合适电路的示例。平方电路300一般具有比以上示出的平方电路200更低的精度。此外，平方电路300是单个象限平方器。电路300使用四个双极结型PNP晶体管，然而，要领会的是，可以使用其它类型的晶体管（诸如，双极型NPN晶体管）实现平方器电路300。

[0038] 平方电路300包括偏置电流源322、跨导线性回路320和PTAT电流源324和326。偏置电流源322生成基本上与温度无关的偏置电流。

[0039] 跨导线性回路320包括双极型PNP晶体管T1、T2、T3和T4。晶体管T1使其发射极连接到供给电压VCC并且使其基极连接到其集电极。晶体管T2使其发射极连接到晶体管T1的集电极。晶体管T2的基极连接到其集电极和晶体管T4的基极。晶体管T2的集电极还连接到第二电流源326。

[0040] 晶体管T3使其基极连接到偏置电流源322和晶体管T4的发射极。T3的发射极连接到供给电压，并且其集电极连接到输出端子328。晶体管T4使其发射极连接到电流源322和晶体管T3的基极。晶体管T4的基极连接到T2的基极和晶体管T2的集电极以及第二电流源326。晶体管T4的集电极连接到地。电流源324和326来自PTAT部件，诸如来自图1的PTAT部件
108的补偿信号114。

[0041] 线性回路320具有以下关系：

[0042]

[0043] 其中 是基极电流并且IBIAS是温度不变偏置电流并且可以从电流源324和/或326提供的IPTAT导出。集电极电流IC3近似等于通过温度不变偏置电流IBIAS缩放的IPTAT的平方。然而，晶体管T2的基极电流IB2影响提供在输出端子328处的输出电流IOUT。

[0044] 提供在输出端子328处的输出电流IOUT是一阶项（在温度中线性的）IPTAT和二阶项（在温度中二次的）IC3之和。输出电流IOUT可以通过使用合适的电阻器被转换成二次调谐电压116。偏置电流IBIAS可以被缩放或调节成补偿温度漂移。在一个示例中，偏置电流IBIAS使用来自压控振荡器的输出的反馈来调节。反馈比较实际频率与所选操作频率。偏置电流IBIAS然后可以被调节以缓解变化。

[0045] 平方器电路300以上被示出使用PNP双极型晶体管。要领会的是，电路200和300可以布置成使用NPN晶体管而不是PNP晶体管。在一个示例中，使用NPN双极型晶体管而不是PNP晶体管，NPN双极型晶体管具有更高的电流增益。

[0046] 图4是图示了具有二阶平方功能的二次扩展部件或装置110的图。部件110生成补偿二阶温度漂移的二次调谐信号。二次扩展部件110被示出有示例电路，然而，要领会的是，设想到电路中的合适变化。

[0047] 二次扩展部件110使用与绝对温度成比例（PTAT）的部件108。部件108线性地基于温度变化或漂移生成电流。二次扩展部件110包括平方器电路400和双极型晶体管T1、T2、T3、T4和T5。

[0048] 晶体管T1是PNP晶体管并且使其基极连接到其集电极。晶体管T1的发射极连接到供给电压VCC。晶体管T1的集电极连接到PTAT部件108。晶体管T2是PNP晶体管并且使其发射极连接到供给电压且使其基极连接到晶体管T1的基极。晶体管T2在其集电极处生成镜像电流。晶体管T3也是PNP晶体管并且使其发射极连接到供给电压且使其基极连接到晶体管T1的基极。晶体管T3在其集电极处生成镜像电流。

[0049] 晶体管T4和T5是双极型NPN晶体管并且包括第二镜像电路。晶体管T4的集电极连接到晶体管T2的集电极。T4的基极还连接到T4的集电极。T4的发射极连接到地。晶体管T5使其集电极连接到平方电路400并且使其基极连接到晶体管T4的基极。晶体管T5的发射极连接到地。

[0050] 平方器电路400基于PTAT部件108的电流IPTAT生成经平方的输出信号ISQR，该电流已经由第一电流镜和第二电流镜成镜像并且经由晶体管T5被提供到平方器电路400。在图2和3中描述合适的平方器电路的示例。

[0051] 晶体管T1、T2和T3操作为第一电流镜以降低从电流源108拉取的电流（电流IPTAT）。该第一电流镜将电流或电流消耗降低到原来的1/N。在一个示例中，N可以被选择为4并且降低电流消耗以及作为结果的所使用的芯片面积。此外，在该示例中，第一电流镜由PNP双极型晶体管组成。

[0052] 如以上陈述的，晶体管T4和T5操作为第二电流镜。在一个示例中，它们利用比例1使来自晶体管T2的电流成镜像，然而，其它镜像比例是可能的。

[0053] 图5是图示了使用二阶温度补偿操作压控振荡器的方法500的流程图。方法500以稳定操作频率生成输出信号，其通过利用二阶补偿而不是仅线性进行补偿来基本上独立于当前温度和/或温度的改变。

[0054] 方法500在块502处开始，在块502中获得用于压控振荡器（VCO）的操作频率。在一个示例中，预选择操作频率。在另一个中，动态地分配操作频率。操作频率一般是所允许的带宽内的频率。可以在管理的规则、规范等等中指定所允许的带宽。在一个示例中，所允许的带宽为100 MHz。在另一示例中，所允许的带宽为200 MHz。

[0055] 在块504处获得温度测量结果。可以从一个或多个温度传感器获得温度测量结果。温度测量结果可以以来自环境、绝对温度等等的偏离的形式并且还被称为当前温度。

[0056] 在块506处根据温度测量结果生成温度补偿信号。温度补偿信号是线性的。诸如以上描述的PTAT部件108的PTAT部件可以配置成生成温度补偿信号。该信号至少部分地计及由于温度所致的压控振荡器的操作频率的变化。一般，温度的增加倾向于降低未经补偿的操作频率并且温度的降低倾向于增加未经补偿的操作频率。通过作为线性或一阶的，补偿信号可能不足以补偿温度漂移并且将操作频率维持在所允许的带宽内。

[0057] 在块508处线性温度补偿信号被平方以生成二阶项。典型地，合适的平方器电路，诸如以上在图2-4中所示的平方器电路，可以用于至少部分地从线性温度补偿信号和温度无关信号生成经平方的信号。可以使用所选偏置电流或其它技术来缩放经平方的信号。

[0058] 在块510处基于二阶项或经平方的信号和温度无关信号生成二次补偿信号。二次补偿信号是二阶信号并且补偿二阶温度漂移。

[0059] 诸如以上描述的部件110的扩展部件可以用于生成二次补偿信号。扩展部件可以被校准成更精确地生成二次补偿信号。

[0060] 二次补偿信号可以以电流的形式。电流可以通过使用合适的电阻器被转换成电压以生成二次调谐电压。

[0061] 在块512处将二次补偿信号应用于调谐端口以调节VCO的操作，并且以操作频率生成输出信号。二次补偿信号调节操作频率以计及由于温度所致的一阶和二阶频率变化二者。可以通过使用配置成将作为电流的信号变换成控制电压而以控制电压的形式来应用信号。因此，可以补偿由于温度的改变所致的一阶和二阶频率变化。

[0062] 二次补偿信号的生成可以被校准以改进精确性。可以测量输出信号的实际频率以确定与操作频率的变化。如果存在实际频率与操作频率的变化，则二次补偿信号的生成可以被调节以改进精确性。

[0063] 在一个示例中，二次扩展部件在使用之前通过选择缩放因子、偏置电流和/或温度不变电流源来校准。在另一示例中，输出信号的实际频率的测量结果被二次扩展部件和/或线性补偿部件用作反馈，以修改二次补偿信号和/或线性补偿信号的生成。

[0064] 作为二次调谐电压的结果，VCO的操作频率维持在所允许的频率范围内。

[0065] 虽然以下将方法图示和描述为一系列动作或事件，但是将领会的是，这样的动作或事件的所图示的排序不以限制性的含义来解释。例如，一些动作可能以不同顺序发生和/或与除本文所图示和/或描述的动作或事件之外的其它动作或事件同时发生。此外，并非全部所图示的动作都可以被要求，以实现本文中的公开内容的一个或多个方面或实施例。而且，本文所描绘的一个或多个动作可以在一个或多个分离的动作和/或阶段中实施。

[0066] 要领会的是，所要求保护的主题可以被实现为方法、装备或制造品，其使用标准编程和/或工程技术以产生软件、固件、硬件或其任何组合以控制计算机实现所公开的主题（例如图1、2中所示的系统、装置和类似物等是可以用于实现以上方法的非限制性示例）。如本文所使用的术语“制造品”意图涵盖从任何计算机可读设备、载体或介质可访问的计算机程序。当然，本领域技术人员将认识到，可以对该配置做出许多修改而不脱离于所要求保护的主题的范围或精神。

[0067] 此外，术语“或”意图意指包括性的“或”而非排他性的“或”。也就是说，除非另行指定，或者从上下文是清楚的，否则“X采用A或B”意图意指自然包括性的置换中的任一个。也就是说，如果X采用A；X采用B；或X采用A和B二者，则“X采用A或B”在前述实例中的任一个之下被满足。而且，如在主题说明书和附图中使用的冠词“一”和“一个”应当一般地被解释成意指“一个或多个”，除非另行指定或者从上下文清楚的是针对单数形式。

[0068] 公开了一种压控振荡器装置。该装置包括压控振荡器和二次扩展部件。压控振荡器具有调谐端口。调谐端口配置成根据所应用的电压选择操作频率。二次扩展部件配置成生成作为到调谐端口的所应用的电压的二次调谐电压。根据线性温度补偿信号而生成二次调谐电压。

[0069] 公开了一种用于生成二次温度补偿信号的二次扩展装置。该装置包括第一电流镜、第二电流镜、平方器电路和线性补偿部件。第一电流镜配置成从线性温度补偿信号生成第一镜像电流。第二电流镜配置成从第一镜像电流生成第二镜像电流。线性补偿部件配置成根据当前温度生成线性补偿信号。平方器电路配置成从线性补偿信号生成二阶项。

[0070] 在一个示例中，该装置还包括配置成组合二阶项与第一镜像电流以生成二次温度补偿信号的输出。

[0071] 在另一示例中，平方器电路包括晶体管的跨导线性回路。

[0072] 在另一示例中，晶体管是PNP双极型晶体管。

[0073] 在又一示例中，晶体管是NPN双极型晶体管。

[0074] 公开了一种使用二阶温度补偿操作压控振荡器的方法。获得当前温度。根据当前温度生成线性温度补偿信号。从线性温度补偿信号生成二阶项。使用二阶项和线性温度补偿信号生成二次温度补偿信号。

[0075] 在一个示例中，方法还包括根据二次温度补偿信号调节压控振荡器的操作频率。

[0076] 特别地关于由以上描述的部件或结构（组件、设备、电路、系统等）执行的各种功能，用于描述这样的部件的术语（包括对“构件”的引用）意图对应于（除非另行指示）下述任何部件或结构：该部件或结构执行所描述的部件的指定功能（例如，其在功能上等效），即便在结构上不等效于执行本发明的在本文所说明的示例性实现方式中的功能的所公开的结构。此外，虽然可能已经关于若干实现方式中的仅一个公开了本发明的特定特征，但是这样的特征可以如可能期望的并且对于任何给定或特定应用而言有利的那样与其它实现方式的一个或多个其它特征组合。另外，就术语“包含着（including）”、“包含（includes）”、“有着（having）”、“具有（has）”、“带有（with）”或其变型被用在详细描述和权利要求中而言，这样的术语意图以类似于术语“包括（comprising）”的方式是包括性的。