（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇無錫214072）

一種高精度溫度補償型實時鐘電路

陳富濤

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇無錫214072）

設計了一種與環(huán)境溫度變化無關、輸出時鐘頻率保持恒定的溫度補償實時鐘電路，可實現(xiàn)寬溫度范圍內(nèi)（-40～85℃）時鐘精度小于±5×10-6，即年累計計時誤差小于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檢測器件溫度，采用模擬和數(shù)字校準等溫度補償?shù)姆椒纱蠓忍岣邷囟妊a償精度和范圍。該電路出廠時已經(jīng)完成全溫度范圍內(nèi)的溫度校準，客戶可直接使用。

實時鐘電路；時間記錄；溫度補償振蕩器；石英晶體振蕩器

1 引言

晶體振蕩器是使用震動的壓電材料晶體的機械共振來產(chǎn)生具有非常精確頻率的電信號的電子電路。該頻率用于不同的應用，例如記錄時間或提供用于數(shù)字集成電路的穩(wěn)定的時鐘信號，以及穩(wěn)定無線發(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頻率32.768kHz共振，但是當溫度從室溫升高或降低時低于目標頻率共振，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，精度會低于150×10-6(典型值)，相當于每天誤差13.0 s，每年誤差1.3 h。對于要求各種外界環(huán)境下精確計時的系統(tǒng)如便攜式計算機、手機和GPS設備等，如此大的誤差就無法忍受了。

特定頻率f和溫度t的典型晶體頻率偏差Δf為：

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

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

圖1 晶振精度隨溫度變化曲線圖

2 溫度補償原理

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管殼內(nèi)，這種內(nèi)置晶振封裝相對于外接晶振而言有如下好處：

圖2 內(nèi)置晶振封裝結構示意圖

·保證RTC和晶體良好地工作(合適的負載電容及ESR)；

·省去了晶體采購問題；

·不必考慮晶體的布板問題(PCB)；

·不會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?shù)木w負載電容，使得計時精度有所改善。

例如，在培訓中，逐步形成了“書記培訓動員—院長、書記或副職主題報告—院外專家講座—典型科室交流—學科分組討論—討論結果匯報—書記總結—討論成效立項—項目執(zhí)行并持續(xù)改進”的模式，該培訓模式具有高效靈活的特點，已被我國不少醫(yī)院學習借鑒。

2.2 模擬溫度補償原理

晶體的振蕩頻率受負載電容和溫度變化的影響。一個負載電容為12.5 pF的晶體，當負載電容變化時其振蕩頻率偏差的隨動特性如圖3所示。

圖3 頻偏與負載電容關系曲線

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對振蕩頻率造成影響。不同類型的音叉型石英晶振具有不同的負載電容參數(shù)如CL=6.0 pF或者12.5 pF等等，其中晶振負載電容參數(shù)與內(nèi)部集成的電容需要滿足如下關系：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為負載電容的兩倍。

圖4 振蕩器等效電路圖

把CL1和CL2設計為電容陣列的形式，包括粗調(diào)和細調(diào)兩種電容陣列。粗調(diào)的負載電容步進較大，用于振蕩頻率的粗調(diào)，而細調(diào)的負載電容步進較小，用于振蕩頻率的細調(diào)；兩者結合起來模擬補償電路具有0.5×10-6到4000×10-6的補償能力。

圖5 模擬溫度補償原理圖

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)字校準電路、內(nèi)置EEPROM存儲修調(diào)數(shù)據(jù)，由于芯片具有集成度高、面積小、補償溫度范圍寬和低功耗等特點，可作為數(shù)字網(wǎng)絡、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)字溫度補償原理

通過串口可以訪問數(shù)字內(nèi)部校準寄存器，可以定時調(diào)整時間。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到0.0×10-6。這是通過在振蕩器分頻鏈上加、減時鐘脈沖實現(xiàn)的。需要減去的時鐘脈沖（負校準減時鐘）或需要插入的時鐘（正校準加時鐘）由寄存器的數(shù)值設置。加時鐘脈沖，時間加快；減時鐘脈沖，時間減慢。數(shù)字校準寄存器包括補償?shù)臅r間間隔(compensation interval)和補償值(compensation value)。補償電路根據(jù)配置在固定的時間間隔內(nèi)(compensation interval)增加或減少振蕩周期。補償間隔（compensation interval）是無符號整數(shù)，取值范圍是 1～255 s；補償值（compensation value）的取值范圍是-128～127。增加或減少一個振蕩周期將會產(chǎn)生±30.5×10-6（1/32768）的頻率偏移，所以此補償電路具有0.119×10-6（interval= 255，value=1）到3906×10-6（interval=1,value=-128）的補償能力。如果補償間隔（compensationinterval）或補償值（compensationvalue）之一設置為0將禁止補償功能。

在沒有啟動補償?shù)那闆r下，每個秒脈沖的周期都是T（包含32768個時鐘振蕩）。如果啟動補償并設置補償間隔為M，補償值為V，那么在每個補償周期（M秒內(nèi)），第一個秒脈沖周期會增加或減少V個時鐘振蕩，變?yōu)?2768±V個時鐘振蕩。第一個秒脈沖的長度與其他秒脈沖長度不同。在圖7中，補償間隔為M，補償值為V。

其內(nèi)部器件老化寄存器可以通過串行接口訪問，可以提供進一步的負載電容和溫度補償，補償晶體老化造成的精度損失。

圖7 電路實現(xiàn)系統(tǒng)框圖

3 電路實現(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轉換器、EEPROM電路、計時和萬年歷電路以及模擬校準和數(shù)字校準電路。

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的時鐘信號，經(jīng)過計時器鏈分頻產(chǎn)生1Hz的秒脈沖信號，該信號作為計時和萬年歷電路的基準信號，同時32.768 kHz和1 Hz的時鐘信號可經(jīng)過FOUT0和FOUT1引腳輸出，用于頻率校驗。

內(nèi)置溫度傳感器可以定時檢測器件溫度，采用模擬校準和數(shù)字校準相結合的溫度補償方法提高計時精度，老化寄存器可以提供進一步的負載電容和溫度補償晶體老化造成的精度損失，數(shù)字校準寄存器和老化寄存器可通過串口訪問，以便客戶靈活地補償由于外界環(huán)境溫度變化、熱沖擊和老化等對計時精度產(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結電壓負溫度特性檢測環(huán)境溫度的變換，轉換為相應的電壓信號。

AD轉換器模塊為了取得低功耗，一般采用12位逐次逼近型（SAR）AD轉換器，將溫度傳感器測得的電壓信號轉換為數(shù)字信號。該數(shù)字信號作為EEPROM電路的地址信號進行查表，在不同的溫度下，根據(jù)FOUT0輸出頻率與標準的32.768 kHz的頻率偏差值，結合晶振負載與振蕩頻率關系曲線選取相應的負載電容陣列大小進行模擬補償，通過調(diào)整負載電容的大小加快或減慢振蕩器時鐘頻率，在數(shù)字校準模式下則根據(jù)頻率偏差值在計時器鏈中選取合適的補償間隔和補償值進行補償，使得計時器鏈的輸出為精確的1Hz。

EEPROM電路存儲晶振的頻率補償信息，根據(jù)溫度檢測結果自動選擇合適的頻率校準信息，在模擬校準模式下，根據(jù)溫度檢測結果，自動選取電容陣列中負載電容的大小，調(diào)整振蕩器的震蕩頻率使其為準確的32.768 kHz。在數(shù)字校準模式下，自動選取數(shù)字校準寄存器中的時間間隔(compensation interval)和補償值(compensation value)相應寄存器的值，使得計時器鏈分頻后的輸出為精準的1 Hz。在沒有啟動補償?shù)那闆r下，每個秒脈沖的周期都是T（包含32768個時鐘振蕩）。如果啟動補償并設置補償間隔為M，補償值為V，那么在每個補償周期（M秒內(nèi)），第一個秒脈沖周期會增加或減少V個時鐘振蕩，變?yōu)?2768±V個時鐘振蕩。第一個秒脈沖的長度與其他秒脈沖長度不同。

老化寄存器可以提供進一步的負載電容和溫度補償晶體老化造成的精度損失，數(shù)字校準寄存器和老化寄存器可通過串口訪問，以便客戶靈活地補償由于外界環(huán)境溫度變化、熱沖擊和老化等對計時精度產(chǎn)生的影響。

串行接口可以讓客戶訪問內(nèi)部的數(shù)字校準寄存器和老化寄存器，對后續(xù)的電路應用進行靈活的配置和補償，此外還可以通過串口讀出計時信息（秒、分和時）和萬年歷信息（日、星期、月、年和世紀等）。

4 電路測試與驗證

該電路采用CMOS 0.35μm EEPROM 2P3M工藝實現(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用于存儲校準值，參考電壓為12位SAR AD轉換器提供參考電壓信號，溫度傳感器模塊用來測量芯片實時溫度，此溫度經(jīng)過SAR ADC轉換為數(shù)字信號，用于EEPROM查表地址。

芯片引腳包括：I2C總線接口信號(SCL和SDA)，中斷輸出信號IRQN輸出各種中斷信號（倒計時、鬧鐘等），CLKOUT為時鐘信號輸出，可輸出高精度32.768 kHz或秒脈沖時鐘信號，CLKEN用來選擇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編程相關引腳，用于工廠測試模式下完成溫度校準。

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溫度補償系統(tǒng)進行全溫度范圍內(nèi)的溫度補償，具體全溫度補償校準流程如圖10所示。

圖10 TCXO自動測量系統(tǒng)框圖

（1）把電路放置于測試板上的夾具中，每個夾具對應唯一的序列號，然后置于高低溫溫箱中，連接好各儀器設備，打開電源。

（2）PC機運行相應的上位機軟件，初始化溫箱、頻率計和穩(wěn)壓源，設定相應的配置參數(shù)(如電源電壓為5 V，EEPROM編程電壓12 V，中心頻率為32768 Hz，測試溫度范圍為-45～85℃，10℃步進)，監(jiān)測各個夾具位電路的頻率輸出，判斷各個電路的頻偏是否超過最大補償范圍，如超過則提示更換相應編號電路。

（3）開始溫度補償程序，程序控制切換到0號夾具，開始降溫至-40℃，保溫30 min后，通過EEPROM調(diào)節(jié)負載電容大小，使輸出頻率越來越接近32768 Hz標準頻率，直到滿足要求（頻偏＜±1×10-6），記錄補償前后的頻率值、相應EEPROM地址和負載電容大??；然后夾具位置加1，移向1號位測量，直到所有夾具測試完畢；開始升溫10℃至-30℃，保溫20 min，測試記錄數(shù)據(jù)，完成所有夾具位溫度補償；繼續(xù)升溫，保溫、測量，直至全部溫度點測試完畢，完成所有電路在不同溫度點下的校準流程。

（4）根據(jù)所測不同溫度點的補償數(shù)據(jù)，擬合每一個夾具位電路的溫度補償曲線，通過EEPROM寫入到相應的地址中，完成該批電路的溫度補償，至此溫度補償程序完成。

（5）開始復測程序，程序控制切換到0號夾具，開始降溫至-40℃，保溫30 min，監(jiān)測各個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溫度點，切換夾具位，直至完成各個夾具位的補償后進行頻率測試，頻偏＜±5×10-6，記錄相應測試數(shù)據(jù)，完成該批電路的校準測試。

上述校準流程完成后，時鐘精度如圖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)，校準前計時精度在150×10-6左右，相當于每天誤差13.0 s，每年誤差1.3 h。而校準后，計時精度可達±5.0×10-6，即年累計計時誤差小于2.5 min，可實現(xiàn)精確計時，同時此電路也作為溫度補償時鐘為SOC或者MCU電路提供高精度32.768kHz時鐘信號。

圖11 校準前后的頻率偏差溫度曲線對比圖

5 結論

一種內(nèi)置晶振的高精度數(shù)字溫度補償實時鐘電路，采用0.35 μm CMOS EEPROM工藝實現(xiàn)，在全溫度范圍(-40～85℃)內(nèi)計時精度小于±5×10-6，內(nèi)置溫度傳感器可以定時檢測器件溫度，采用模擬校準和數(shù)字校準相結合的溫度補償?shù)姆椒纱蠓忍岣邷囟妊a償精度和范圍，老化寄存器可以提供進一步的負載電容和溫度補償晶體老化造成的精度損失，數(shù)字校準寄存器和老化寄存器可通過串口訪問，以便客戶靈活地補償由于外界環(huán)境溫度變化、熱沖擊和老化等對計時精度產(chǎn)生的影響。

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圖10 傾斜視覺檢測相機和光源

圖11 傾斜視覺檢測的比對效果

8 結論

視覺檢測是測試包裝設備實現(xiàn)自動化的重要手段，傾斜視覺檢測能夠清晰抓取器件塑封體表面的打印碼內(nèi)容圖像。以此為判斷標準，傾斜視覺檢測能夠識別出外觀對稱器件在載帶中方向是否倒反。通過在設備上加裝傾斜視覺檢測系統(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。

作者簡介：

唐明津（1955—），男，馬來西亞人，資深高級工程師，現(xiàn)任職于英飛凌科技（無錫）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，高級工程師，研究方向為模擬CMOS集成電路設計。

2016-6-23