專(zhuān)利名稱(chēng)：頻率合成器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于穩(wěn)定頻率合成器的頻率的方法。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種借助于通過(guò)使用鎖相環(huán)(PLL)耦合到壓控振蕩器(VCO)的基準(zhǔn)振蕩器來(lái)穩(wěn)定頻率合成器的頻率的方法。本發(fā)明還涉及一種頻率合成器。
背景技術(shù)：
在典型的現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)收發(fā)器中，根據(jù)基準(zhǔn)振蕩器來(lái)導(dǎo)出通信頻率。例如，在無(wú)線(xiàn)電話(huà)機(jī)中，使用基于基準(zhǔn)振蕩器的頻率來(lái)發(fā)起與基站的通信。在已經(jīng)建立連接之后，可以進(jìn)一步借助各種同步方法來(lái)改進(jìn)頻率精確度，但是初始通信頻率必須足夠精確以便能夠建立初始通信。
在典型的收發(fā)器體系結(jié)構(gòu)中，基準(zhǔn)振蕩器的輸出被鎖相到VCO的輸出，并且所述VCO的輸出提供了期望的本機(jī)振蕩器(localoscillator，LO)頻率。
在圖1a中描繪了這種基于PLL的頻率產(chǎn)生的例子。使用相位比較器12的輸出13來(lái)穩(wěn)定VCO 14的操作；VCO 14的輸出頻率15是基準(zhǔn)振蕩器頻率11乘以分頻器鏈(divider chain)16的分頻因數(shù)(dividing factor)N。
基本的基于PLL的頻率產(chǎn)生利用整數(shù)計(jì)數(shù)器鏈作為分頻器，但是分?jǐn)?shù)版本(fractal version)一般在∑-Δ轉(zhuǎn)換器的控制之下使用分?jǐn)?shù)分頻器來(lái)近似連續(xù)輸出的頻率范圍，所述分?jǐn)?shù)分頻器在兩個(gè)不同的分頻模(dividing modulo)之間交替。
如果分頻因數(shù)N被設(shè)置為動(dòng)態(tài)可變的，那么圖1a中所描繪的基于PLL的頻率產(chǎn)生可以發(fā)展為圖1b中所描繪的頻率合成器。
除要求向VCO提供長(zhǎng)期頻率精確度之外，由于LO產(chǎn)生的載波所包含的相位噪聲越少，通信信道越適于提供無(wú)差錯(cuò)信息傳輸，所以需要低基準(zhǔn)振蕩器相位噪聲。
基準(zhǔn)振蕩器被用作為頻率合成器中的精確且穩(wěn)定的基準(zhǔn)頻率并且提供精確且穩(wěn)定的基準(zhǔn)頻率信號(hào)以便能夠產(chǎn)生可變但穩(wěn)定的頻率，所述頻率可以被用作為可調(diào)諧的LO頻率。
頻率合成器的輸出頻率信號(hào)的關(guān)鍵要求是穩(wěn)定性、低相位噪聲以及高熱穩(wěn)定性，例如具有低熱系數(shù)，并且還要求可以迅速地選擇所述輸出頻率的精確值。
在無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備中，基準(zhǔn)振蕩器通常是基于石英晶體的。石英諧振器穩(wěn)定且精確的機(jī)械振動(dòng)很適于產(chǎn)生具有優(yōu)秀的長(zhǎng)期(漂移和老化)和短期(相位噪聲)穩(wěn)定性的振蕩器。此外，借助適當(dāng)?shù)氖⒅苽浞椒?例如，AT-cut)，可以把諧振頻率的溫度相關(guān)性降低為較低值(小于典型的操作溫度范圍的百萬(wàn)分之幾)。石英晶體基準(zhǔn)振蕩器模塊的主要缺點(diǎn)是它們相當(dāng)笨重的大小并且難于與收發(fā)器模塊單片集成，所述收發(fā)器模塊典型情況下是基于高度集成的解決方案?，F(xiàn)代微加工技術(shù)可以制造微型機(jī)械諧振器(微機(jī)電系統(tǒng)＝MEMS)，其諧振頻率范圍從幾個(gè)kHz直到GHz范圍。在H.J.De Los Santos的“RF MEMSCircuit Design for Wireless Communications”中給出了基于表面或整體微加工硅的這種微諧振器的例子，Artech House，Boston/London，2002年。微諧振器的優(yōu)點(diǎn)包括尺寸小、功耗低、以及可以增加諧振器、振蕩器電子器件和器件封裝之間的集成度。單片集成和芯片級(jí)系統(tǒng)方法是用于增加基準(zhǔn)振蕩器集成度的可行解決方案。微加工諧振器和集成電路的單片集成便于更復(fù)雜的微機(jī)電電路，并且可以提供完整的芯片級(jí)頻率合成器。
然而，在頻率合成器中使用基于硅的微諧振器的基礎(chǔ)復(fù)雜性源于它們的大溫度系數(shù)，典型情況下df/dT從-10到-30ppm/K。這種溫度相關(guān)性如果不加以應(yīng)對(duì)的話(huà)則對(duì)于基準(zhǔn)應(yīng)用來(lái)說(shuō)太大。因此要求補(bǔ)償此溫度相關(guān)性以使微諧振器適于作為頻率合成器的基準(zhǔn)頻率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是消除現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)并且提供一種用于穩(wěn)定頻率合成器的頻率的改進(jìn)方法以及一種改進(jìn)的頻率合成器。
本發(fā)明提供了LO頻率合成器體系結(jié)構(gòu)，其中具有非零溫度系數(shù)的MEMS基準(zhǔn)振蕩器單元用于頻率穩(wěn)定，并且其中在合成器級(jí)應(yīng)對(duì)基準(zhǔn)頻率的溫度相關(guān)性。
本發(fā)明是基于以下原理的，測(cè)量諧振器溫度以便電子補(bǔ)償溫度相關(guān)性以及所產(chǎn)生的與溫度相關(guān)的頻移。通過(guò)測(cè)量如在圖1c中所描述的MEMS諧振器的溫度T并且通過(guò)使用已知的頻率vs.溫度函數(shù)fr(T)，諧振頻率變?yōu)榫_定義的量，其可以用來(lái)改進(jìn)依照?qǐng)D1b的現(xiàn)有技術(shù)頻率合成器的穩(wěn)定性。
在優(yōu)選實(shí)施例中，溫度測(cè)量是基于激勵(lì)MEMS諧振器中具有不同溫度系數(shù)的兩個(gè)模式。通過(guò)查看兩個(gè)模式的頻移，可以測(cè)量并且電補(bǔ)償溫度的改變。此方法具有以下優(yōu)點(diǎn)1)不需要溫度傳感器來(lái)消除與所述傳感器和諧振器的溫度差異相關(guān)聯(lián)的溫度瞬時(shí)滯后，2)頻率測(cè)量是準(zhǔn)確的并且直接數(shù)字地實(shí)現(xiàn)，和3)由于諧振器也是傳感器，所以不需要附加傳感器。這簡(jiǎn)化了構(gòu)造并且降低了成本。
在所附權(quán)利要求中詳細(xì)地給出了本發(fā)明的特征。
在本發(fā)明中所給出方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于，因?yàn)樵陬l率合成中直接考慮MEMS振蕩器的相當(dāng)大的(但是可預(yù)測(cè)的)溫度相關(guān)性，所以在振蕩器本身不被補(bǔ)償?shù)那闆r下，基準(zhǔn)振蕩器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和低相位噪聲可以被更好地優(yōu)化。使用所描述的方法，MEMS基準(zhǔn)振蕩器可以(單片地)集成為無(wú)線(xiàn)收發(fā)器模塊的一部分。


結(jié)合附圖根據(jù)本發(fā)明的以下具體實(shí)施方式
，將更清楚地理解本發(fā)明的上述和附加目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，其中圖1a是典型的基于PLL的頻率合成器的框圖，其中VCO產(chǎn)生LO頻率，
圖1b是頻率合成器的簡(jiǎn)化框圖，圖1c是依照本發(fā)明的頻率合成器的簡(jiǎn)化框圖，圖2a是依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的頻率合成器的框圖，圖2b是依照本發(fā)明實(shí)施例的簡(jiǎn)化頻率合成器的框圖，圖2c是依照本發(fā)明另一實(shí)施例的頻率合成器的框圖，圖3a和3b圖示了對(duì)方形板諧振器(square plate resonator)所觀察的具有不同溫度系數(shù)的兩個(gè)振動(dòng)模式，圖4公開(kāi)了兩個(gè)方形板振動(dòng)模式的測(cè)量頻率系數(shù)，圖5a、5b圖示了用于同時(shí)檢測(cè)兩個(gè)方形板振動(dòng)模式的兩種方法，和圖6圖示了利用根據(jù)兩個(gè)模式測(cè)量所提取的溫度信息來(lái)實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及一種通過(guò)使用基準(zhǔn)振蕩器來(lái)穩(wěn)定頻率合成器的頻率的方法，所述基準(zhǔn)振蕩器使用鎖相環(huán)(PLL)或頻率比較控制器耦合到壓控振蕩器(VCO)，其中利用基準(zhǔn)MEMS振蕩器來(lái)穩(wěn)定所述VCO，借此通過(guò)測(cè)量MEMS諧振器的溫度T并且通過(guò)使用其已知的頻率vs.溫度函數(shù)fr(T)，輸出頻率變?yōu)榫_定義的量，其可以被用為頻率合成器中的基準(zhǔn)。
在下面對(duì)于基于MEMS振蕩器的頻率合成器給出了三種穩(wěn)定方法。
依照第一方法，利用在圖2a中所描繪的框圖，VCO 24產(chǎn)生LO頻率(例如在1GHz)fLO。典型情況下以相當(dāng)?shù)偷念l率(例如在10MHz)操作MEMS基準(zhǔn)振蕩器21。VCO輸出頻率在分頻器25中被分頻，以便使分頻器的輸出頻率28等于MEMS基準(zhǔn)振蕩器頻率。它們的相對(duì)相位由相位檢測(cè)器22來(lái)檢測(cè)，并且在低通濾波(LPF)23之后，該結(jié)果被用來(lái)穩(wěn)定VCO 24。此環(huán)路形成了基本PLL，如先前所描述。
MEMS基準(zhǔn)振蕩器21的頻率隨溫度是不穩(wěn)定的，但是其隨溫度而變的頻率偏移可以通過(guò)修改分頻器25來(lái)補(bǔ)償。
先前已知的可連續(xù)調(diào)諧的分?jǐn)?shù)N分頻器(fractional-N divider)技術(shù)可以方便地用來(lái)調(diào)節(jié)分頻器鏈(divider chain)25的計(jì)數(shù)。這可以例如通過(guò)使用∑-Δ調(diào)制器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述∑-Δ調(diào)制器技術(shù)連續(xù)地調(diào)節(jié)分頻器級(jí)的計(jì)數(shù)模N。使用∑-Δ調(diào)制器27來(lái)調(diào)節(jié)26分頻器25，VCO頻率變?yōu)榛鶞?zhǔn)頻率的N+x[n]倍并且可以是幾乎可連續(xù)調(diào)整的。N表示分頻器的模整數(shù)設(shè)置(module integer setting)而x[n]是用來(lái)控制∑-Δ調(diào)制器27的相位檢測(cè)器輸出信號(hào)28。
根據(jù)所測(cè)量29的MEMS基準(zhǔn)振蕩器21的溫度T和MEMS基準(zhǔn)21的T相關(guān)性f(T)，使用LOGIC(邏輯)電路30來(lái)產(chǎn)生x[n]32信號(hào)，所述x[n]信號(hào)使Δ-∑調(diào)制器27補(bǔ)償由溫度引發(fā)的MEMS基準(zhǔn)振蕩器21的輸出頻率偏移。
所述補(bǔ)償借助于用于調(diào)節(jié)分頻器鏈25的模N的Δ-∑調(diào)制器27。邏輯電路30可以有益地使用查找表31，所述查找表31提供使用所測(cè)量的基準(zhǔn)振蕩器21的溫度T而選擇的所需要的校正控制信號(hào)x(n)?；鶞?zhǔn)頻率中的制造容差偏移也被校準(zhǔn)并可以依照相同方式被額外用于調(diào)節(jié)x[n]，例如通過(guò)使用二維查找表31或適當(dāng)?shù)慕M合算法。
使用稍后所描述的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)MEMS基準(zhǔn)振蕩器21?？梢愿鶕?jù)體聲波(bulk acoustic wave，BAW)操作使用單個(gè)MEMS振蕩器來(lái)提供基準(zhǔn)振蕩器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和低相位噪聲。如果必要的話(huà)，可以使用兩個(gè)或多個(gè)MEMS組件來(lái)實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)振蕩器的改進(jìn)性能，其中所述MEMS組件的屬性被有選擇地組合。例如，可以通過(guò)組合兩個(gè)MEMS組件的屬性來(lái)得出基準(zhǔn)振蕩器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和低相位噪聲。
在圖2b中描繪了第二方法的框圖。它圖示了VCO 44自身能夠產(chǎn)生具有所要求的頻譜純度(相位噪聲)的信號(hào)并且只需要基準(zhǔn)振蕩器41來(lái)提供長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定性的情況。
在這種情況下，可以使VCO反饋環(huán)路是非常窄帶的，并且可以在分頻器43中使用恒定的整數(shù)N進(jìn)行分頻來(lái)產(chǎn)生輸出以便在混合器42中與來(lái)自基準(zhǔn)振蕩器41的基準(zhǔn)頻率相混合?；旌掀?2輸出混合頻率的總和以及差異頻率，但是在低通濾波器48之后只有基準(zhǔn)頻率fr和經(jīng)分頻的VCO輸出頻率fVCO/N之間的低頻差異頻率fbeat＝fr-fVCO/N(或fVCO/N-fr)保留，并且可以用來(lái)產(chǎn)生VCO的控制信號(hào)，所述控制信號(hào)調(diào)節(jié)VCO以便輸出期望的頻率。重要的是應(yīng)當(dāng)注意，VCO輸出信號(hào)不必是基準(zhǔn)信號(hào)的恒定倍數(shù)。通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇差異頻率fbeat，可以精調(diào)輸出頻率fVCO＝N·(fr-fbeat)。這可以用來(lái)數(shù)字補(bǔ)償在基準(zhǔn)振蕩器中由溫度引發(fā)的改變。
VCO控制信號(hào)49由邏輯電路45產(chǎn)生并且可以向此控制信號(hào)進(jìn)一步添加校正控制電壓以便產(chǎn)生VCO的調(diào)諧電壓，其另外為基準(zhǔn)振蕩器校正與溫度相關(guān)的頻率偏移和/或在校準(zhǔn)期間所發(fā)現(xiàn)的偏移。
如果頻率的相對(duì)頻率感測(cè)不改變，才可以使用所描述的混合方法。另一更通用的方法是通過(guò)使用一個(gè)公共信號(hào)選通計(jì)數(shù)器來(lái)直接計(jì)數(shù)兩個(gè)較低頻率信號(hào)fr和fVCO/N來(lái)確定頻率差異及其感測(cè)。該時(shí)鐘例如可以是所述信號(hào)中的任何一個(gè)。
邏輯電路45輸出調(diào)諧控制電壓49，所述調(diào)諧控制電壓49按照這樣一種方式取決于頻率差異，即，經(jīng)分頻的VCO輸出頻率和基準(zhǔn)頻率之間的差異頻率更接近于期望的頻率差異。
取決于所測(cè)量的振蕩器溫度T和任何校準(zhǔn)校正(calibrationcorrection)的電壓可以另外被設(shè)置來(lái)調(diào)節(jié)VCO 44的調(diào)諧電壓，有益地是通過(guò)簡(jiǎn)單地使用查找表和DAC來(lái)調(diào)節(jié)。依照先前針對(duì)第一方法所描述的相同方式，查找表可以包含校準(zhǔn)校正值和取決于MEMS基準(zhǔn)振蕩器的已知的與溫度相關(guān)的特性的校正值。
此方法的有益實(shí)施例是借助模擬方法使用頻率差異來(lái)控制VCO并且使用邏輯電路45和控制信號(hào)50來(lái)為溫度和校準(zhǔn)校正數(shù)字地調(diào)節(jié)整數(shù)計(jì)數(shù)器鏈以便改變分頻器計(jì)數(shù)器鏈43的分頻模。
每當(dāng)合成器分頻器使用整數(shù)值來(lái)分頻時(shí)(例如對(duì)于信道選擇)，邏輯電路如果被饋送了期望信道的信息，那么可以迅速地提供信道選擇，在圖2b的例子中，邏輯電路45可以直接地向期望的信道提供所需要的、經(jīng)溫度校正的N，并且從而提供迅速的信道選擇。
在收發(fā)器中用于迅速信道選擇的此方法不局限于在圖2b中所描繪的方法，而是每當(dāng)校正值被安排來(lái)修改計(jì)數(shù)器鏈時(shí)就可以使用。從而此方法也可以與優(yōu)選實(shí)施例一起使用。在未示出的一個(gè)有利實(shí)施例中，使用三維表來(lái)代替二維校正表以便為制造校準(zhǔn)校正、基準(zhǔn)振蕩器溫度校正和信道選擇頻率偏移的所有組合提供校正值。
可以依照對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見(jiàn)的許多其它方式來(lái)實(shí)現(xiàn)向計(jì)數(shù)器鏈提供溫度、校準(zhǔn)或信道校正的N值。例如除改變計(jì)數(shù)器鏈的?；蚴褂梅?jǐn)?shù)方法之外，可以通過(guò)以規(guī)則的速率增加或減小計(jì)數(shù)來(lái)修改計(jì)數(shù)器本身的計(jì)數(shù)值以便增加或減小輸出頻率。此方法(通常在相位累加器中用來(lái)給出固定的相位偏移)可以針對(duì)連續(xù)相位改變而容易地修改，其實(shí)際上提供了可控制地增加或減少輸出頻率。
圖2c是依照本發(fā)明另一實(shí)施例的頻率合成器的框圖，其中使用偏移合成器來(lái)用于VCO 55輸出頻率的溫度穩(wěn)定。VCO產(chǎn)生LO頻率(例如在1GHz)fLO。MEMS基準(zhǔn)振蕩器51提供了基準(zhǔn)頻率，典型情況下為10MHz。VCO輸出頻率在分頻器54中被分頻，并且使用混合相位檢測(cè)器52把經(jīng)分頻的VCO輸出與基準(zhǔn)振蕩器相混合。利用低通濾波器53來(lái)濾波混合器輸出以便獲得f1＝fVCO-fr。第二混合器57用來(lái)把由振蕩器58所提供的偏移頻率foffset添加到所述信號(hào)。在利用第二低通濾波器56濾波之后，獲得所產(chǎn)生的頻率f2＝f1-foffset。當(dāng)相位環(huán)路被鎖定時(shí)，頻率f2是零并且VCO輸出等于fVCO＝N·(fr+foffset).
MEMS基準(zhǔn)振蕩器51的頻率隨溫度是不穩(wěn)定的，但是其隨溫度而變的頻率偏移可以通過(guò)調(diào)節(jié)foffset來(lái)補(bǔ)償。根據(jù)所測(cè)量的MEMS基準(zhǔn)的溫度T和MEMS基準(zhǔn)51的T相關(guān)性f(T)，邏輯電路60和查找表59用來(lái)控制偏移振蕩器58。偏移振蕩器可以是具有寬調(diào)諧范圍的VCO或MEMS振蕩器(例如撓性振蕩器)。
依照本發(fā)明另一實(shí)施例，以?xún)蓚€(gè)模式同時(shí)激勵(lì)硅諧振器，每個(gè)模式具有不同的溫度系數(shù)。在圖3中示出了用于示出這兩類(lèi)模式的有用諧振器結(jié)構(gòu)的例子。圖3a圖示了板中的擴(kuò)展模式振動(dòng)(在f0＝13.1MHz，Q＝120000)并且圖3b是Lamé模式振動(dòng)(在f0＝12.1MHz，Q＝60000)。擴(kuò)展振動(dòng)模式被表征為保留原始方形的2-D板擴(kuò)展(plateexpansion)。Lamé模式被表征為保留板體積的板彎曲(platebending)。所述組件可以通過(guò)絕緣體上硅結(jié)構(gòu)(silicon-on-insulatorSOI)晶片的深度反應(yīng)離子蝕刻來(lái)制造。可以利用角錨定(T型角錨定)來(lái)電接觸到諧振器使得可以利用一個(gè)掩模來(lái)制造整個(gè)器件。另外已經(jīng)示出非常適于獲得低相位噪聲的擴(kuò)展模式，參見(jiàn)V.Kaajakari、T.Mattila、A.Oja、J.Kiihamaki、H.Kattelus、M.Koskenvuori、P.Rantakari、I.Tittonen和H.Sepp刊登于Transducers′03的論文“Square-Extensional Mode Single-Crystal Silicon MicromechanicalRF-resonator”(Boston，2003年6月)。圖4示出了兩個(gè)模式中所測(cè)量的溫度相關(guān)性，所述兩個(gè)模式彼此不同。
在圖5a和圖5b中描繪了兩個(gè)振動(dòng)的同時(shí)且獨(dú)立的檢測(cè)。在圖5a和5b中，示出了聲模(BAW)硅諧振器，包括方形板、在所述板的各個(gè)面上提供電容耦合的電極ELE1-ELE4、被連接到所述電極的電壓源Uin和Ubias和輸出電壓。利用在圖5a中所示出的差分電極結(jié)構(gòu)，可以利用相同電極來(lái)檢測(cè)兩個(gè)模式。這對(duì)于這兩個(gè)模式給出了最大的信號(hào)幅度但是使振蕩器電子器件變得復(fù)雜。在圖5b中所示出的結(jié)構(gòu)使用具有不同偏壓的不同電極(對(duì)于另一Lamé電極來(lái)說(shuō)具有不同的極性)以便激勵(lì)和/或激勵(lì)Lamé和擴(kuò)展模式。驅(qū)動(dòng)電子器件更為簡(jiǎn)單并且兩個(gè)模式具有良好的隔離，但是該結(jié)構(gòu)對(duì)于信號(hào)功率來(lái)說(shuō)并非是最優(yōu)的。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，所示出兩個(gè)模式的電極大小相等，但是實(shí)際的實(shí)現(xiàn)方式可以對(duì)于用來(lái)產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率的模式使用較大電極并且對(duì)于用來(lái)產(chǎn)生溫度信息的模式使用較小電極。
在相同諧振器中檢測(cè)兩個(gè)模式的替換方式是在鄰近熱觸點(diǎn)中(例如在相同的襯底上)制造兩個(gè)諧振器，以板擴(kuò)展模式驅(qū)動(dòng)一個(gè)諧振器并且以L(fǎng)amé模式驅(qū)動(dòng)另一個(gè)諧振器。由于這些諧振器在相同的硅襯底上，所以諧振器溫度是高度相關(guān)的。此結(jié)構(gòu)的好處在于所述模式在電和機(jī)械上是隔離的并且簡(jiǎn)化了振蕩器電子器件。
還可以使用其它微諧振器結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生溫度信息。例如，可以從扭轉(zhuǎn)和撓性梁振動(dòng)模式獲得溫度信息，因?yàn)檫@兩個(gè)模式也具有不同的溫度相關(guān)性?；蛘?，可以使用由具有不同溫度相關(guān)性的不同材料制成的兩個(gè)諧振器。
可以如下產(chǎn)生頻率補(bǔ)償所需的溫度信息兩個(gè)模式在頻率f1和f2諧振。兩個(gè)模式被同時(shí)激勵(lì)并且由兩個(gè)諧振所產(chǎn)生的脈沖如先前描述被檢測(cè)并且分別在計(jì)數(shù)器1和2中計(jì)數(shù)。如果計(jì)數(shù)器1已經(jīng)存儲(chǔ)N1個(gè)周期，那么計(jì)數(shù)器2已經(jīng)在相同時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)了N2＝f2/f1·N1個(gè)周期。保持N1固定，從而可以獲得溫度。
這種溫度信息可以由本發(fā)明用來(lái)依照第一方法、其簡(jiǎn)化形式和第三方法來(lái)校正頻率合成器的輸出頻率。也可以使用其它溫度測(cè)量方法來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償，但是雙模式方法尤其適用于MEMS基準(zhǔn)振蕩器。
如在圖6中所描述，可以直接使用此雙模式方法來(lái)使基準(zhǔn)振蕩器用于高頻率合成器。所描繪的合成器使用基準(zhǔn)振蕩器和分?jǐn)?shù)N的鎖相環(huán)路?；鶞?zhǔn)振蕩器71具有兩個(gè)頻率輸出72和73，其具有不同的溫度相關(guān)性。頻率輸出72被設(shè)計(jì)成具有低相位噪聲。這些輸出72和73利用計(jì)數(shù)器174和計(jì)數(shù)器275來(lái)計(jì)數(shù)。如先前已經(jīng)描述，計(jì)數(shù)器輸出由邏輯電路77用來(lái)計(jì)算振蕩器溫度。使用溫度信息連同在存儲(chǔ)器76中所存儲(chǔ)的校準(zhǔn)信息來(lái)計(jì)算分頻器83中的正確的分頻因數(shù)N，以產(chǎn)生由fVCO＝N·f1所給出的期望LO頻率。由于f1取決于溫度，所以所要求的分頻N因數(shù)可能是分?jǐn)?shù)而不是整數(shù)。
使用VCO 80合成期望的頻率來(lái)產(chǎn)生LO頻率。VCO輸出頻率在分頻器83中被分頻，以便使分頻器的輸出頻率81等于MEMS基準(zhǔn)振蕩器頻率72。依照先前所描述的方式由分?jǐn)?shù)∑-Δ調(diào)制器82來(lái)改變分頻器83中的分頻因數(shù)。邏輯電路77用來(lái)控制∑-Δ調(diào)制器以便獲得分?jǐn)?shù)分頻?；鶞?zhǔn)振蕩器信號(hào)72和經(jīng)分頻的信號(hào)81之間的相對(duì)相位由相位檢測(cè)器78來(lái)檢測(cè)，并且在LPF 79中低通濾波之后，使用相位比較結(jié)果來(lái)穩(wěn)定VCO 80。如先前所描述，此環(huán)路形成了基本PLL。
基準(zhǔn)振蕩器71被設(shè)計(jì)成使得輸出信號(hào)72主要具有低相位噪聲并且只是其次才具有高溫穩(wěn)定性。期望的LO頻率使用具有低質(zhì)量因數(shù)的壓控振蕩器來(lái)合成，并且因此為了良好的穩(wěn)定性而被鎖定到基準(zhǔn)振蕩器以便提供低抖動(dòng)的LO信號(hào)，該信號(hào)為載波信號(hào)及其它用途所需要。
使用分?jǐn)?shù)N調(diào)制器以便對(duì)VCO頻率進(jìn)行分?jǐn)?shù)分頻來(lái)校正任何基準(zhǔn)振蕩器頻移。
所存儲(chǔ)的校準(zhǔn)值和已知的溫度相關(guān)性由邏輯電路用來(lái)控制分?jǐn)?shù)N調(diào)制器。
可以有益地使用∑-Δ調(diào)制器來(lái)實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)N PLL。此技術(shù)提供了幾乎連續(xù)的頻率調(diào)諧并且已經(jīng)被證明能夠滿(mǎn)足GSM相位噪聲規(guī)范。
對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯然，本發(fā)明的不同實(shí)施例不局限于上述例子，而是它們可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)改變。
權(quán)利要求
1.一種借助于耦合到壓控振蕩器(VCO)的基準(zhǔn)振蕩器單元來(lái)穩(wěn)定頻率合成器的頻率的方法，其中所述合成器裝備有鎖相環(huán)(PLL)來(lái)穩(wěn)定所述壓控振蕩器的操作，其特征在于所述基準(zhǔn)振蕩器單元是MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))基準(zhǔn)振蕩器單元，測(cè)量所述MEMS基準(zhǔn)振蕩器單元的溫度，通過(guò)使用頻率/溫度函數(shù)、依照所測(cè)量的溫度來(lái)校正輸出頻率。
2.如權(quán)利要求1所述的用于穩(wěn)定頻率合成器的頻率的方法，其中所述壓控振蕩器產(chǎn)生本機(jī)振蕩器頻率，所述壓控振蕩器輸出頻率被分頻成等于所述MEMS基準(zhǔn)振蕩器頻率，并且它們的相對(duì)相位被檢測(cè)并用于調(diào)諧所述壓控振蕩器，其特征在于使用分頻器來(lái)補(bǔ)償隨溫度而變的基準(zhǔn)頻率偏移誤差。
3.如權(quán)利要求2所述的用于穩(wěn)定頻率合成器的頻率的方法，其特征在于，使用∑-Δ調(diào)制器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的(分?jǐn)?shù)-N)分頻器，借此使用對(duì)所述分頻器的∑-Δ調(diào)制器反饋，壓控振蕩器頻率變?yōu)樗龌鶞?zhǔn)頻率的N+x[n]倍，其中N表示分頻器的整數(shù)設(shè)置并且x[n]是用于引導(dǎo)所述∑-Δ調(diào)制器的輸入序列，并且根據(jù)所測(cè)量的MEMS振蕩器(T)的溫度(T)和基準(zhǔn)頻率T相關(guān)性fr(T)，使用邏輯電路來(lái)產(chǎn)生x[n]，所述x[n]用于補(bǔ)償由溫度引發(fā)的基準(zhǔn)頻率的偏移。
4.如權(quán)利要求2所述的用于穩(wěn)定頻率合成器的頻率的方法，其特征在于，所述壓控振蕩器自身能夠產(chǎn)生具有所要求的頻譜純度(相位噪聲)的信號(hào)，并且需要基準(zhǔn)振蕩器來(lái)提供長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定性，借此通過(guò)計(jì)數(shù)拍頻(fr-fVCO/N)來(lái)求解所述基準(zhǔn)頻率fr和經(jīng)分頻的VCO頻率(fVCO/N)之間的差異，然后把所述頻率差異與所測(cè)量的T和已知函數(shù)fr(T)相組合以便產(chǎn)生用于VCO的正確的調(diào)諧電壓。
5.如權(quán)利要求2所述的用于穩(wěn)定頻率合成器的頻率的方法，其特征在于，所述壓控振蕩器自身能夠產(chǎn)生具有所要求的頻譜純度(相位噪聲)的信號(hào)，并且需要基準(zhǔn)振蕩器來(lái)提供長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定性，借此通過(guò)利用所述基準(zhǔn)頻率fr和經(jīng)分頻的VCO頻率(fVCO/N)信號(hào)之一作為計(jì)數(shù)的時(shí)鐘來(lái)直接計(jì)數(shù)這兩個(gè)頻率(fr)和(fVCO/N)，從而求解這兩個(gè)頻率(fr)和(fVCO/N)之間的差異，并且其中然后把所述頻率差異與所測(cè)量的T和已知函數(shù)fr(T)相組合以便產(chǎn)生用于VCO的正確的調(diào)諧電壓。
6.如權(quán)利要求1所述的用于穩(wěn)定頻率合成器的頻率的方法，其特征在于，使用可以調(diào)諧的第二低頻振蕩器來(lái)進(jìn)行對(duì)上變頻PLL中的基準(zhǔn)振蕩器頻率的溫度補(bǔ)償。
7.如權(quán)利要求1所述的用于穩(wěn)定頻率合成器的頻率的方法，其特征在于，將偏移合成器用于VCO(55)輸出頻率的溫度穩(wěn)定，所述VCO產(chǎn)生LO頻率，所述MEMS基準(zhǔn)振蕩器(51)提供基準(zhǔn)頻率，所述VCO輸出頻率在分頻器(54)中被分頻并且使用混合相位檢測(cè)器(52)把經(jīng)分頻的VCO輸出與基準(zhǔn)振蕩器相混合，利用低通濾波器(53)來(lái)對(duì)混合器輸出進(jìn)行濾波以便獲得f1＝fVCO-fr，使用第二混合器(57)來(lái)把由振蕩器(58)所提供的偏移頻率(foffset)添加到信號(hào)，而且在利用第二低通濾波器(56)濾波之后，獲得所產(chǎn)生的頻率(f2＝f1-foffset)。
8.如權(quán)利要求1所述的用于穩(wěn)定頻率合成器的頻率的方法，其特征在于，通過(guò)在MEMS諧振器中激勵(lì)具有不同溫度系數(shù)的兩個(gè)模式來(lái)測(cè)量溫度，其中通過(guò)查看所述兩個(gè)模式的頻移，可以測(cè)量溫度的改變。
9.如權(quán)利要求1所述的用于穩(wěn)定頻率合成器的頻率的方法，其特征在于，在PLL計(jì)數(shù)器鏈的相位累加器中以恒定速率連續(xù)地增加或減去由不管任何方法的溫度測(cè)量所選擇的校正值，以便根據(jù)所述溫度來(lái)增加或減小所述輸出頻率。
10.一種頻率合成器，裝備有被耦合到壓控振蕩器(VCO)以便穩(wěn)定頻率合成器的頻率的基準(zhǔn)振蕩器，其中所述合成器裝備有鎖相環(huán)(PLL)以便穩(wěn)定所述壓控振蕩器的操作，其特征在于基準(zhǔn)振蕩器單元是MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))基準(zhǔn)振蕩器單元，而且頻率合成器具有用于測(cè)量MEMS基準(zhǔn)振蕩器單元的溫度、并且用于通過(guò)使用頻率/溫度函數(shù)依照所測(cè)量的溫度來(lái)校正輸出頻率的裝置。
11.如權(quán)利要求10所述的頻率合成器，其特征在于，至少一個(gè)組件是具有方形板和在所述板的各個(gè)面上所布置的用于電容耦合的電極的微機(jī)械體聲波模式(BAW)硅諧振器，其中振動(dòng)模式被表征為用于保留原始方形的2-D板擴(kuò)展。
12.如權(quán)利要求10所述的頻率合成器，其特征在于包括用于產(chǎn)生本機(jī)振蕩器頻率的裝置，用于對(duì)壓控振蕩器輸出頻率進(jìn)行分頻以便等于MEMS基準(zhǔn)振蕩器頻率的裝置，和用于檢測(cè)它們的相對(duì)相位以及用于調(diào)諧壓控振蕩器的裝置。
13.如權(quán)利要求12所述的頻率合成器，其特征在于包括一個(gè)分頻器以便補(bǔ)償隨溫度而變的基準(zhǔn)頻率偏移誤差。
14.如權(quán)利要求12所述的頻率合成器，其特征在于，可調(diào)諧的(分?jǐn)?shù)-N)分頻器是∑-Δ調(diào)制器。
15.如權(quán)利要求12所述的頻率合成器，其特征在于，壓控振蕩器具有用于由自身產(chǎn)生具有所要求的頻譜純度(相位噪聲)的信號(hào)的裝置，并且需要基準(zhǔn)振蕩器來(lái)提供長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定性。
16.如權(quán)利要求10所述的頻率合成器，其特征在于，偏移合成器被用于VCO(55)輸出頻率的溫度穩(wěn)定，而且它包括產(chǎn)生LO頻率的VCO，所述MEMS基準(zhǔn)振蕩器(51)提供基準(zhǔn)頻率，所述VCO用于在分頻器(54)中對(duì)輸出頻率進(jìn)行分頻，并且使用混合相位檢測(cè)器(52)把經(jīng)分頻的VCO輸出與基準(zhǔn)振蕩器相混合，利用低通濾波器(53)來(lái)對(duì)混合器的輸出進(jìn)行濾波以便獲得f1＝fVCO-fr，使用第二混合器(57)來(lái)把由振蕩器(58)所提供的偏移頻率(foffset)添加到信號(hào)，而且存在用于在利用第二低通濾波器(56)濾波之后獲得所產(chǎn)生的頻率(f2＝f1-foffset)的裝置。
17.如權(quán)利要求10或11所述的頻率合成器，其特征在于，MEMS諧振器具有溫度系數(shù)不同的兩個(gè)模式，使得通過(guò)在MEMS諧振器中激勵(lì)具有不同溫度系數(shù)的兩個(gè)模式來(lái)測(cè)量溫度，其中通過(guò)查看所述兩個(gè)模式的頻移，可以測(cè)量溫度的改變。
18.如權(quán)利要求19所述的頻率合成器，其特征在于，它具有用于同時(shí)檢測(cè)所述兩個(gè)模式的裝置。
19.如權(quán)利要求18所述的頻率合成器，其特征在于，電極結(jié)構(gòu)具有用于利用相同電極檢測(cè)兩個(gè)模式的裝置。
20.如權(quán)利要求18所述的頻率合成器，其特征在于，所述電極結(jié)構(gòu)具有不同偏壓的不同電極(對(duì)于另一Lamé電極來(lái)說(shuō)具有相反的極性)以便激勵(lì)Lamé和擴(kuò)展模式。
21.如權(quán)利要求18所述的頻率合成器，其特征在于，所述電極結(jié)構(gòu)具有用于激勵(lì)兩個(gè)模式的不同諧振器。
22.如權(quán)利要求10所述的頻率合成器，其特征在于，它包括基準(zhǔn)頻率振蕩器和鎖相環(huán)(分?jǐn)?shù)-N PLL)，借此基準(zhǔn)振蕩器給出用于產(chǎn)生溫度信息的頻率(f1)和(f2)，所述振蕩器被設(shè)計(jì)成使得信號(hào)頻率f1具有低相位噪聲，而且利用壓控振蕩器(VCO)來(lái)合成期望的頻率。
23.如權(quán)利要求10所述的頻率合成器，其特征在于，所述頻率合成器具有三維表以便為制造校準(zhǔn)校正、基準(zhǔn)振蕩器溫度校正和信道選擇頻率偏移的所有組合提供校正值。
全文摘要
一種借助于耦合到壓控振蕩器(VCO)的基準(zhǔn)振蕩器單元來(lái)穩(wěn)定頻率合成器的頻率的方法和頻率合成器，其中所述合成器裝備有鎖相環(huán)(PLL)以便穩(wěn)定壓控振蕩器的操作，其中所述基準(zhǔn)振蕩器單元是MEMS(MicroElectromechanicalSystem，微機(jī)電系統(tǒng))基準(zhǔn)振蕩器單元，測(cè)量MEMS基準(zhǔn)振蕩器單元的溫度，并且通過(guò)使用頻率/溫度函數(shù)依照所測(cè)量的溫度來(lái)校正輸出頻率。
文檔編號(hào)H03L7/16GK1993890SQ200480043617
公開(kāi)日2007年7月4日 申請(qǐng)日期2004年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月24日
發(fā)明者托米·馬蒂拉, 奧利·加庫(kù)拉, 維利·卡加卡里, 阿奈·奧加, ?；と?申請(qǐng)人:諾基亞公司