一種高精度溫度補(bǔ)償型實(shí)時(shí)鐘電路

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無(wú)錫214072）

一種高精度溫度補(bǔ)償型實(shí)時(shí)鐘電路

陳富濤

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無(wú)錫214072）

設(shè)計(jì)了一種與環(huán)境溫度變化無(wú)關(guān)、輸出時(shí)鐘頻率保持恒定的溫度補(bǔ)償實(shí)時(shí)鐘電路，可實(shí)現(xiàn)寬溫度范圍內(nèi)（-40～85℃）時(shí)鐘精度小于±5×10-6，即年累計(jì)計(jì)時(shí)誤差小于2.5min。該電路內(nèi)置32.768kHz音叉型石英晶體振蕩器，內(nèi)置溫度傳感器可以定時(shí)檢測(cè)器件溫度，采用模擬和數(shù)字校準(zhǔn)等溫度補(bǔ)償?shù)姆椒纱蠓忍岣邷囟妊a(bǔ)償精度和范圍。該電路出廠時(shí)已經(jīng)完成全溫度范圍內(nèi)的溫度校準(zhǔn)，客戶可直接使用。

實(shí)時(shí)鐘電路；時(shí)間記錄；溫度補(bǔ)償振蕩器；石英晶體振蕩器

1 引言

晶體振蕩器是使用震動(dòng)的壓電材料晶體的機(jī)械共振來(lái)產(chǎn)生具有非常精確頻率的電信號(hào)的電子電路。該頻率用于不同的應(yīng)用，例如記錄時(shí)間或提供用于數(shù)字集成電路的穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，以及穩(wěn)定無(wú)線發(fā)射器的頻率等等。其中音叉晶體一般被切割為使得其頻率相對(duì)于溫度是以25℃為中心的拋物線(圖1)，這意味著音叉晶體振蕩器在室溫下靠近其目標(biāo)頻率32.768kHz共振，但是當(dāng)溫度從室溫升高或降低時(shí)低于目標(biāo)頻率共振，其通用拋物線系數(shù)-0.04×10-6/℃2,室溫下(25℃)精度典型值為±20×10-6，相當(dāng)于每天慢或快1.7 s，即每年誤差10.34 min。如圖1所示，在高溫和低溫區(qū)域精度變差，精度會(huì)低于150×10-6(典型值)，相當(dāng)于每天誤差13.0 s，每年誤差1.3 h。對(duì)于要求各種外界環(huán)境下精確計(jì)時(shí)的系統(tǒng)如便攜式計(jì)算機(jī)、手機(jī)和GPS設(shè)備等，如此大的誤差就無(wú)法忍受了。

特定頻率f和溫度t的典型晶體頻率偏差Δf為：

其中，f是晶體標(biāo)稱頻率32.768 kHz，k是曲率常數(shù)，t是溫度，to為頂點(diǎn)溫度，fo是頂點(diǎn)溫度下的相對(duì)頻偏。

從式（1）可以看出：只有3個(gè)變量控制著每個(gè)晶體的溫度特性——曲率常數(shù)、頂點(diǎn)溫度、頂點(diǎn)溫度下的相對(duì)頻偏。曲率常數(shù)對(duì)全溫范圍內(nèi)頻偏的拋物線形狀影響最大，但這個(gè)常數(shù)本身的偏差很小。不同的轉(zhuǎn)折溫度可以將拋物線左/右平移，不同轉(zhuǎn)折溫度下的相對(duì)頻偏可以將拋物線上下平移，to頂點(diǎn)溫度一般為25± 5℃,曲率常數(shù)k為-0.04×10-6/℃2，而fo頂點(diǎn)溫度下的相對(duì)頻偏一般為±20×10-6，該公式可用于溫度補(bǔ)償算法。

圖1 晶振精度隨溫度變化曲線圖

2 溫度補(bǔ)償原理

2.1 內(nèi)置晶振封裝

利用集成電路制造工藝將石英晶體振蕩器與RTC電路集成封裝于同一個(gè)管殼內(nèi)，這種內(nèi)置晶振封裝相對(duì)于外接晶振而言有如下好處：

圖2 內(nèi)置晶振封裝結(jié)構(gòu)示意圖

·保證RTC和晶體良好地工作(合適的負(fù)載電容及ESR)；

·省去了晶體采購(gòu)問題；

·不必考慮晶體的布板問題(PCB)；

·不會(huì)像通孔式晶體那樣額外增加生產(chǎn)步驟。

此外由于減小了寄生電容、PCB上雜質(zhì)引起的泄漏，并且避免了不恰當(dāng)?shù)木w負(fù)載電容，使得計(jì)時(shí)精度有所改善。

例如，在培訓(xùn)中，逐步形成了“書記培訓(xùn)動(dòng)員—院長(zhǎng)、書記或副職主題報(bào)告—院外專家講座—典型科室交流—學(xué)科分組討論—討論結(jié)果匯報(bào)—書記總結(jié)—討論成效立項(xiàng)—項(xiàng)目執(zhí)行并持續(xù)改進(jìn)”的模式，該培訓(xùn)模式具有高效靈活的特點(diǎn)，已被我國(guó)不少醫(yī)院學(xué)習(xí)借鑒。

2.2 模擬溫度補(bǔ)償原理

晶體的振蕩頻率受負(fù)載電容和溫度變化的影響。一個(gè)負(fù)載電容為12.5 pF的晶體，當(dāng)負(fù)載電容變化時(shí)其振蕩頻率偏差的隨動(dòng)特性如圖3所示。

圖3 頻偏與負(fù)載電容關(guān)系曲線

振蕩電路匹配電容的離散性和溫度漂移、電路板的分布電容都會(huì)對(duì)振蕩頻率造成影響。不同類型的音叉型石英晶振具有不同的負(fù)載電容參數(shù)如CL=6.0 pF或者12.5 pF等等，其中晶振負(fù)載電容參數(shù)與內(nèi)部集成的電容需要滿足如下關(guān)系：CL=[(CL1×CL2)/(CL1+CL2)+ CSTRAY]，CSTRAY為振蕩器電路的寄生電容，需要采用版圖技巧降低寄生電容的大小，一般選取內(nèi)部集成電容CL1和CL2為負(fù)載電容的兩倍。

圖4 振蕩器等效電路圖

把CL1和CL2設(shè)計(jì)為電容陣列的形式，包括粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩種電容陣列。粗調(diào)的負(fù)載電容步進(jìn)較大，用于振蕩頻率的粗調(diào)，而細(xì)調(diào)的負(fù)載電容步進(jìn)較小，用于振蕩頻率的細(xì)調(diào)；兩者結(jié)合起來(lái)模擬補(bǔ)償電路具有0.5×10-6到4000×10-6的補(bǔ)償能力。

圖5 模擬溫度補(bǔ)償原理圖

利用集成電路制造工藝將石英晶體振蕩器與RTC電路集成封裝于同一個(gè)管殼內(nèi)，RTC電路內(nèi)置晶體振蕩器電路、串行接口(單線接口、I2C或3線SPI)、溫度傳感器、模擬和數(shù)字校準(zhǔn)電路、內(nèi)置EEPROM存儲(chǔ)修調(diào)數(shù)據(jù)，由于芯片具有集成度高、面積小、補(bǔ)償溫度范圍寬和低功耗等特點(diǎn)，可作為數(shù)字網(wǎng)絡(luò)、通訊和各種便攜式電子產(chǎn)品等的精確頻率源使用。

2.3 數(shù)字溫度補(bǔ)償原理

通過(guò)串口可以訪問數(shù)字內(nèi)部校準(zhǔn)寄存器，可以定時(shí)調(diào)整時(shí)間。這種方法并不改變晶體的任何特性，但可以上下調(diào)整32.768 kHz拋物線，在指定溫度使精度達(dá)到0.0×10-6。這是通過(guò)在振蕩器分頻鏈上加、減時(shí)鐘脈沖實(shí)現(xiàn)的。需要減去的時(shí)鐘脈沖（負(fù)校準(zhǔn)減時(shí)鐘）或需要插入的時(shí)鐘（正校準(zhǔn)加時(shí)鐘）由寄存器的數(shù)值設(shè)置。加時(shí)鐘脈沖，時(shí)間加快；減時(shí)鐘脈沖，時(shí)間減慢。數(shù)字校準(zhǔn)寄存器包括補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間間隔(compensation interval)和補(bǔ)償值(compensation value)。補(bǔ)償電路根據(jù)配置在固定的時(shí)間間隔內(nèi)(compensation interval)增加或減少振蕩周期。補(bǔ)償間隔（compensation interval）是無(wú)符號(hào)整數(shù)，取值范圍是 1～255 s；補(bǔ)償值（compensation value）的取值范圍是-128～127。增加或減少一個(gè)振蕩周期將會(huì)產(chǎn)生±30.5×10-6（1/32768）的頻率偏移，所以此補(bǔ)償電路具有0.119×10-6（interval= 255，value=1）到3906×10-6（interval=1,value=-128）的補(bǔ)償能力。如果補(bǔ)償間隔（compensationinterval）或補(bǔ)償值（compensationvalue）之一設(shè)置為0將禁止補(bǔ)償功能。

在沒有啟動(dòng)補(bǔ)償?shù)那闆r下，每個(gè)秒脈沖的周期都是T（包含32768個(gè)時(shí)鐘振蕩）。如果啟動(dòng)補(bǔ)償并設(shè)置補(bǔ)償間隔為M，補(bǔ)償值為V，那么在每個(gè)補(bǔ)償周期（M秒內(nèi)），第一個(gè)秒脈沖周期會(huì)增加或減少V個(gè)時(shí)鐘振蕩，變?yōu)?2768±V個(gè)時(shí)鐘振蕩。第一個(gè)秒脈沖的長(zhǎng)度與其他秒脈沖長(zhǎng)度不同。在圖7中，補(bǔ)償間隔為M，補(bǔ)償值為V。

其內(nèi)部器件老化寄存器可以通過(guò)串行接口訪問，可以提供進(jìn)一步的負(fù)載電容和溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償晶體老化造成的精度損失。

圖7 電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)框圖

3 電路實(shí)現(xiàn)

該電路內(nèi)部主要模塊包括石英晶振、晶體振蕩器電路、溫度傳感器、AD轉(zhuǎn)換器、EEPROM電路、計(jì)時(shí)和萬(wàn)年歷電路以及模擬校準(zhǔn)和數(shù)字校準(zhǔn)電路。

石英晶振(音叉型32.768 kHz石英晶振，與集成電路封裝在一起)和振蕩器電路輸出32.768 kHz的時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)時(shí)器鏈分頻產(chǎn)生1Hz的秒脈沖信號(hào)，該信號(hào)作為計(jì)時(shí)和萬(wàn)年歷電路的基準(zhǔn)信號(hào)，同時(shí)32.768 kHz和1 Hz的時(shí)鐘信號(hào)可經(jīng)過(guò)FOUT0和FOUT1引腳輸出，用于頻率校驗(yàn)。

內(nèi)置溫度傳感器可以定時(shí)檢測(cè)器件溫度，采用模擬校準(zhǔn)和數(shù)字校準(zhǔn)相結(jié)合的溫度補(bǔ)償方法提高計(jì)時(shí)精度，老化寄存器可以提供進(jìn)一步的負(fù)載電容和溫度補(bǔ)償晶體老化造成的精度損失，數(shù)字校準(zhǔn)寄存器和老化寄存器可通過(guò)串口訪問，以便客戶靈活地補(bǔ)償由于外界環(huán)境溫度變化、熱沖擊和老化等對(duì)計(jì)時(shí)精度產(chǎn)生的影響。

溫度傳感器電路采用固定工作電流偏置的二極管連接PNP管的Vbe結(jié)電壓負(fù)溫度特性檢測(cè)環(huán)境溫度的變換，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)。

AD轉(zhuǎn)換器模塊為了取得低功耗，一般采用12位逐次逼近型（SAR）AD轉(zhuǎn)換器，將溫度傳感器測(cè)得的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。該數(shù)字信號(hào)作為EEPROM電路的地址信號(hào)進(jìn)行查表，在不同的溫度下，根據(jù)FOUT0輸出頻率與標(biāo)準(zhǔn)的32.768 kHz的頻率偏差值，結(jié)合晶振負(fù)載與振蕩頻率關(guān)系曲線選取相應(yīng)的負(fù)載電容陣列大小進(jìn)行模擬補(bǔ)償，通過(guò)調(diào)整負(fù)載電容的大小加快或減慢振蕩器時(shí)鐘頻率，在數(shù)字校準(zhǔn)模式下則根據(jù)頻率偏差值在計(jì)時(shí)器鏈中選取合適的補(bǔ)償間隔和補(bǔ)償值進(jìn)行補(bǔ)償，使得計(jì)時(shí)器鏈的輸出為精確的1Hz。

EEPROM電路存儲(chǔ)晶振的頻率補(bǔ)償信息，根據(jù)溫度檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)選擇合適的頻率校準(zhǔn)信息，在模擬校準(zhǔn)模式下，根據(jù)溫度檢測(cè)結(jié)果，自動(dòng)選取電容陣列中負(fù)載電容的大小，調(diào)整振蕩器的震蕩頻率使其為準(zhǔn)確的32.768 kHz。在數(shù)字校準(zhǔn)模式下，自動(dòng)選取數(shù)字校準(zhǔn)寄存器中的時(shí)間間隔(compensation interval)和補(bǔ)償值(compensation value)相應(yīng)寄存器的值，使得計(jì)時(shí)器鏈分頻后的輸出為精準(zhǔn)的1 Hz。在沒有啟動(dòng)補(bǔ)償?shù)那闆r下，每個(gè)秒脈沖的周期都是T（包含32768個(gè)時(shí)鐘振蕩）。如果啟動(dòng)補(bǔ)償并設(shè)置補(bǔ)償間隔為M，補(bǔ)償值為V，那么在每個(gè)補(bǔ)償周期（M秒內(nèi)），第一個(gè)秒脈沖周期會(huì)增加或減少V個(gè)時(shí)鐘振蕩，變?yōu)?2768±V個(gè)時(shí)鐘振蕩。第一個(gè)秒脈沖的長(zhǎng)度與其他秒脈沖長(zhǎng)度不同。

老化寄存器可以提供進(jìn)一步的負(fù)載電容和溫度補(bǔ)償晶體老化造成的精度損失，數(shù)字校準(zhǔn)寄存器和老化寄存器可通過(guò)串口訪問，以便客戶靈活地補(bǔ)償由于外界環(huán)境溫度變化、熱沖擊和老化等對(duì)計(jì)時(shí)精度產(chǎn)生的影響。

串行接口可以讓客戶訪問內(nèi)部的數(shù)字校準(zhǔn)寄存器和老化寄存器，對(duì)后續(xù)的電路應(yīng)用進(jìn)行靈活的配置和補(bǔ)償，此外還可以通過(guò)串口讀出計(jì)時(shí)信息（秒、分和時(shí)）和萬(wàn)年歷信息（日、星期、月、年和世紀(jì)等）。

4 電路測(cè)試與驗(yàn)證

該電路采用CMOS 0.35μm EEPROM 2P3M工藝實(shí)現(xiàn)，芯片概貌如圖8所示。

圖8 芯片概貌圖

芯片主要功能模塊包括：256位EPROM用于存儲(chǔ)校準(zhǔn)值，參考電壓為12位SAR AD轉(zhuǎn)換器提供參考電壓信號(hào)，溫度傳感器模塊用來(lái)測(cè)量芯片實(shí)時(shí)溫度，此溫度經(jīng)過(guò)SAR ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，用于EEPROM查表地址。

芯片引腳包括：I2C總線接口信號(hào)(SCL和SDA)，中斷輸出信號(hào)IRQN輸出各種中斷信號(hào)（倒計(jì)時(shí)、鬧鐘等），CLKOUT為時(shí)鐘信號(hào)輸出，可輸出高精度32.768 kHz或秒脈沖時(shí)鐘信號(hào)，CLKEN用來(lái)選擇CLKOUT的輸出模式。OSC1和OSC2為晶振輸入和輸出引腳，其他引腳NC1、NC2、TEST1、TEST2為EEPROM編程相關(guān)引腳，用于工廠測(cè)試模式下完成溫度校準(zhǔn)。

圖9 SOP14內(nèi)置晶振X光照片

流片完成后采用內(nèi)置晶振SOP14封裝，X光照片見圖9，圓柱形為石英晶振，晶振下方為芯片和引線框架，封裝后的成品電路采用自動(dòng)溫度補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行全溫度范圍內(nèi)的溫度補(bǔ)償，具體全溫度補(bǔ)償校準(zhǔn)流程如圖10所示。

圖10 TCXO自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)框圖

（1）把電路放置于測(cè)試板上的夾具中，每個(gè)夾具對(duì)應(yīng)唯一的序列號(hào)，然后置于高低溫溫箱中，連接好各儀器設(shè)備，打開電源。

（2）PC機(jī)運(yùn)行相應(yīng)的上位機(jī)軟件，初始化溫箱、頻率計(jì)和穩(wěn)壓源，設(shè)定相應(yīng)的配置參數(shù)(如電源電壓為5 V，EEPROM編程電壓12 V，中心頻率為32768 Hz，測(cè)試溫度范圍為-45～85℃，10℃步進(jìn))，監(jiān)測(cè)各個(gè)夾具位電路的頻率輸出，判斷各個(gè)電路的頻偏是否超過(guò)最大補(bǔ)償范圍，如超過(guò)則提示更換相應(yīng)編號(hào)電路。

（3）開始溫度補(bǔ)償程序，程序控制切換到0號(hào)夾具，開始降溫至-40℃，保溫30 min后，通過(guò)EEPROM調(diào)節(jié)負(fù)載電容大小，使輸出頻率越來(lái)越接近32768 Hz標(biāo)準(zhǔn)頻率，直到滿足要求（頻偏＜±1×10-6），記錄補(bǔ)償前后的頻率值、相應(yīng)EEPROM地址和負(fù)載電容大?。蝗缓髪A具位置加1，移向1號(hào)位測(cè)量，直到所有夾具測(cè)試完畢；開始升溫10℃至-30℃，保溫20 min，測(cè)試記錄數(shù)據(jù)，完成所有夾具位溫度補(bǔ)償；繼續(xù)升溫，保溫、測(cè)量，直至全部溫度點(diǎn)測(cè)試完畢，完成所有電路在不同溫度點(diǎn)下的校準(zhǔn)流程。

（4）根據(jù)所測(cè)不同溫度點(diǎn)的補(bǔ)償數(shù)據(jù)，擬合每一個(gè)夾具位電路的溫度補(bǔ)償曲線，通過(guò)EEPROM寫入到相應(yīng)的地址中，完成該批電路的溫度補(bǔ)償，至此溫度補(bǔ)償程序完成。

（5）開始復(fù)測(cè)程序，程序控制切換到0號(hào)夾具，開始降溫至-40℃，保溫30 min，監(jiān)測(cè)各個(gè)夾具位電路的頻率輸出是否滿足要求（頻偏＜±5×10-6），開始升溫至所需抽測(cè)溫度點(diǎn)，切換夾具位，直至完成各個(gè)夾具位的補(bǔ)償后進(jìn)行頻率測(cè)試，頻偏＜±5×10-6，記錄相應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)，完成該批電路的校準(zhǔn)測(cè)試。

上述校準(zhǔn)流程完成后，時(shí)鐘精度如圖11所示，其中X軸為溫度(℃)，Y軸為頻率偏差，在全溫度范圍(-40℃～85℃)內(nèi)，校準(zhǔn)前計(jì)時(shí)精度在150×10-6左右，相當(dāng)于每天誤差13.0 s，每年誤差1.3 h。而校準(zhǔn)后，計(jì)時(shí)精度可達(dá)±5.0×10-6，即年累計(jì)計(jì)時(shí)誤差小于2.5 min，可實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時(shí)，同時(shí)此電路也作為溫度補(bǔ)償時(shí)鐘為SOC或者M(jìn)CU電路提供高精度32.768kHz時(shí)鐘信號(hào)。

圖11 校準(zhǔn)前后的頻率偏差溫度曲線對(duì)比圖

5 結(jié)論

一種內(nèi)置晶振的高精度數(shù)字溫度補(bǔ)償實(shí)時(shí)鐘電路，采用0.35 μm CMOS EEPROM工藝實(shí)現(xiàn)，在全溫度范圍(-40～85℃)內(nèi)計(jì)時(shí)精度小于±5×10-6，內(nèi)置溫度傳感器可以定時(shí)檢測(cè)器件溫度，采用模擬校準(zhǔn)和數(shù)字校準(zhǔn)相結(jié)合的溫度補(bǔ)償?shù)姆椒纱蠓忍岣邷囟妊a(bǔ)償精度和范圍，老化寄存器可以提供進(jìn)一步的負(fù)載電容和溫度補(bǔ)償晶體老化造成的精度損失，數(shù)字校準(zhǔn)寄存器和老化寄存器可通過(guò)串口訪問，以便客戶靈活地補(bǔ)償由于外界環(huán)境溫度變化、熱沖擊和老化等對(duì)計(jì)時(shí)精度產(chǎn)生的影響。

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圖10 傾斜視覺檢測(cè)相機(jī)和光源

圖11 傾斜視覺檢測(cè)的比對(duì)效果

8 結(jié)論

視覺檢測(cè)是測(cè)試包裝設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的重要手段，傾斜視覺檢測(cè)能夠清晰抓取器件塑封體表面的打印碼內(nèi)容圖像。以此為判斷標(biāo)準(zhǔn)，傾斜視覺檢測(cè)能夠識(shí)別出外觀對(duì)稱器件在載帶中方向是否倒反。通過(guò)在設(shè)備上加裝傾斜視覺檢測(cè)系統(tǒng)，能夠有效杜絕不同器件批次混淆和器件在載帶中方向放反的問題，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

作者簡(jiǎn)介：

唐明津（1955—），男，馬來(lái)西亞人，資深高級(jí)工程師，現(xiàn)任職于英飛凌科技（無(wú)錫）有限公司。

A Design of TCXO Chip with High Accuracy and Wide Compensation Temperature Range

CHEN Futao
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China）

The paper presents a temperature compensated crystal oscillator(TCXO)with high accuracy in 0.35 μm CMOS EEPROM process.The crystal,temperature sensor and RTC,together with the automatic compensation algorithm,are all integrated into a single package.Very accurate (±5×10-6)timekeeping is obtained over a wide range of temperatures from-40℃to 85℃,In addition to providing date and time (seconds,minutes,hours,day-of-week,day of month,month and year),the device also provides alarm function, fixed-cycle timer,time update interruptandprogrammable frequencyoutputs(1Hz,1kHzand32kHz).

RTC;timekeeping;DPCO;crystal

TN402

A

1681-1070（2016）12-0030-05

陳富濤（1979—），男，山東聊城人，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槟MCMOS集成電路設(shè)計(jì)。

2016-6-23