Исследование и разработка интегральных источников опорной частоты на основе пьезоэлектрических и МЭМС резонаторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат наук Мурасов, Константин Владимирович

• Мурасов, Константин Владимирович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Мурасов, Константин Владимирович

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ОПОРНОЙ ЧАСТОТЫ

1.1. Краткая характеристика рассматриваемой проблемы

1.2. Основные характеристики интегральных источников опорной частоты

1.3. Сравнение интегральных ЬС - КМОП генераторов, кварцевых генераторов и МЭМС генераторов

1.3.1. Интегральные ЬС - КМОП генераторы

1.3.1.1. Релаксационные генераторы

1.3.1.2. Кольцевые генераторы

1.3.1.3. ЬС генераторы

1.3.2. МЭМС генераторы

1.3.3. Кварцевые генераторы

1.4. Термокомпенсация интегральных источников опорной частоты

1.4.1. Генераторы с цифровой термокомпенсацией

1.4.2. Генераторы с аналоговой термокомпенсацией

1.4.3. Генераторы с гибридной термокомпенсацией

1.5. Интегральные датчики температуры

1.5.1. Классификация интегральных датчиков температуры

1.5.2. Основные параметры интегральных датчиков температуры

1.6. Выводы

1.7. Постановка задачи исследований

2. РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ СПОСОБА ГИБРИДНОЙ ТЕРМОКОМПЕНСАЦИИ

2.1. Специфические особенности цифровых методов термокомпенсации

2.2. Специфические особенности аналоговых методов термокомпенсации

2.3. Гибридный аналого-цифровой способ температурной компенсации

2.3.1. Аналоговая компенсация полиномом третьей степени

2.3.2. Аналоговая компенсация полиномом четвертой степени

2.3.3.Гибридная компенсация кусочно-полиномиальной функцией

2.3.4.Вопросы схемотехнической реализации синтезатора СКФ

2.3.4.1. Аналоговые сумматоры

2.3.4.2. Аналоговые умножители

2.3.4.3. Влияние ошибок умножителей и сумматора на точность кусочно-полиномиальной компенсации

2.4. Выводы

3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ УПРАВЛЯЕМЫХ НАПРЯЖЕНИЕМ

3.1. Подстройка частоты кварцевых резонаторов

3.2. ГУН на основе генератора Пирса

3.2.1. КМОП ёмкость

3.2.2. Моделирование ГУН на основе генератора Пирса

3.3. ГУН на основе дифференциального генератора 84 3.3.1 Оптимизация дифференциального генератора

по уровню фазовых шумов

3.3.1.1. Виды шумов КМОП транзистора

3.3.1.2. Фликкер шум п - МОП и р - МОП транзисторов

3.3.1.3. Перенос фликкер шума транзисторов генератора на несущую частоту

3.3.1.4. Оптимизация схемы дифференциального генератора по фазовым шумам

3.3.1.5. Перестройка частоты дифференциального кварцевого ГУН

3.4. Исследование температурных свойств схем генераторов Пирса и дифференциально генератора

3.5. Выводы

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЭМС ГЕНЕРАТОРА

НА TPАНСИМПЕ ДАНСНОМ УСИЛИТЕЛЕ

4.1. Типы МЭМС резонаторов

4.2. Модель МЭМС резонатора

4.3. Схемы возбуждения МЭМС резонатора

4.3.1. Трансимпедансные усилители

4.3.2. Генератор Пирса на МЭМС резонаторе

4.4 Анализ и разработка МЭМС генератора на ТИОУ методами компьютерного моделирования

4.5 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЯ

138

АГ

АЦП

ГУН

ИОН

КГ

КР

КФ

НИР

ОКР

ПЗУ

ОЗУ

ПОС

СКФ

СИМ

сгтммш

тдкч

тккг

ТКУ

ткч тчх

ФАПЧ ФНЧ ФП ЦАП

цтккг шим

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

- автогенератор

- аналого-цифровой преобразователь -генератор, управляемый напряжением

- источник опорного напряжения

- кварцевый генератор

- кварцевый резонатор

- компенсирующая функция

- научно-исследовательская работа

- опытно-конструкторская работа

- постоянное запоминающее устройство

- оперативное запоминающее устройство положительная обратная связь

- синтезатор компенсирующей функции

- спектральная плотность мощности

- спектральная плотность мощности модуляционного шума

- температурно-динамический коэффициент частоты

- термокомпенсированный кварцевый генератор

- термокомпенсирующее устройство

- температурный коэффициент частоты

- температурно-частотная характеристика

- фазовая автоподстройка частоты

- фильтр нижних частот

- функциональный преобразователь

- цифро-аналоговый преобразователь

- кварцевый генератор с цифровой термокомпенсацией

- широтно-импульсная модуляция

ЭВМ - электронно-вычислительная машина

ADC - (Analog to Digital Converter) - аналого-цифровой преобразователь

DDS - (Direct Digital Synthesizer) - цифровой синтезатор прямого синте-

за

DSP - (Digital Signal Processing) - цифровая обработка сигнала

ppb - (part per billion - одна миллиардная) - относительная единица

измерения отклонения частоты, равная 10"9 ppm - (part per million - одна миллионная) — относительная единица из-

мерения отклонения частоты, равная 10"6 ppt - (part per trillion - одна триллионная) - относительная единица

измерения отклонения частоты, равная 10"12 VCXO - (Voltage Controlled Xtal Oscillator) - кварцевый генератор, управляемый напряжением ХО - (Xtal Oscillator) - кварцевый генератор

КМОП Комплементарная структура металл-оксид-полупроводник БиКМОП Биполярная комплементарная структура металл-оксид-

полупроводник МЭМС Микро электромеханическая система

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка интегральных источников опорной частоты на основе пьезоэлектрических и МЭМС резонаторов»

ВВЕДЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена исследованию и разработке высокостабильных термокомпенсированных источников опорных колебаний в интегральном исполнении на основе кварцевых и МЭМС резонаторов.

Актуальность работы. Источник опорных колебаний является важнейшим узлом многих радиотехнических устройств (радиостанции, сотовые телефоны, системы навигации и т.д.) и различных вычислительных систем. В настоящее время основную долю рынка малогабаритных малопотребляющих источников опорных колебаний занимают термокомпенсированыые кварцевые генераторы (ТККГ), обеспечивающие относительную температурную нестабильность частоты МО"6... 2-КГ6.

Вопросы построения термокомпенсированных генераторов с использованием кварцевых резонаторов на основе дискретной элементной базы исследовались в работах Г.Б. Альтшуллера, Н. Н. Елфимова, В. Г. Шакулина, В. В. Шувалова, Ю. С. Иванченко, A.B. Косых, С.А. Завьялова, А.Н. Лепетаева, а за рубежом - М. Фреркингом, М. Блохом, В. Гозлингом, Т. Адачи, Р. Филлером и др.

Возрастающие требования миниатюризации и ограничения энергопотребления, предъявляемые к разрабатываемой аппаратуре, вызывают необходимость поиска новых технических решений, направленных на достижение высоких параметров генератора при меньших габаритах. Существенное сокращение габаритов может быть достигнуто за счет полной интеграции схемы генератора в виде «системы на кристалле». Вместе с тем, создание высокостабильных источников опорной частоты в виде единой микросхемы сопряжено с рядом проблем. В частности, размеры кварцевого резонатора слишком велики относительно других элементов микросхемы; технология изготовления таких резонаторов не сочетается с технологией изготовления кремниевых подложек и

1 I

при этом в лучшем случае можно говорить о «системе в корпусе»; технологические ограничения при производстве интегральных микросхем не позволяют создавать конденсаторы с большим значением ёмкости, интегрированные высококачественные варикапы, необходимые для перестройки частоты, и др.

Одним из перспективных решений по созданию интегральных генераторов является использование микро-электро-механических (МЭМС) резонаторов, технология изготовления которых может быть интегрирована в общий цикл производства микросхемы, однако температурная стабильность частоты таких резонаторов невелика, а схемотехника возбуждающих систем разработана недостаточно полно. В отечественной научной литературе вопросы создания высокостабильных генераторов на основе МЭМС практически отсутствуют. Отсутствие наработок в области создания высокостабильных интегральных опорных генераторов приводит к зависимости от зарубежных поставщиков, что ставит под угрозу нашу технологическую безопасность. В этом плане работа является очень актуальной.

Наибольший интерес представляет решение таких задач, как разработка методов термокомпенсации малогабаритных кварцевых резонаторов, пригодных для создания генератора в виде «система в корпусе», разработка схем возбуждения МЭМС резонаторов, обеспечивающих низкий уровень шумов, разработка принципов управления частотой интегральных кварцевых генераторов, разработка принципов термокомпенсации кварцевых генераторов.

Необходимость проведения этих исследований определила выбор темы и цели диссертационной работы.

Цель работы. Целью диссертационной работы является решение ряда проблем, связанных с созданием интегральных источников опорной частоты без внешних навесных элементов, имеющих малое значение температурной нестабильности частоты в расширенном диапазоне температур и низкий уровень шума

выходного сигнала. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие конкретные задачи:

• Разработать принципы повышения температурной стабильности кварцевых и МЭМС генераторов, пригодные для реализации в виде интегральной БИС;

• Разработать и исследовать принципы управления частотой интегральных генераторов с использованием удобных для реализации в виде единого кристалла элементов (без внешних варикапов);

• Разработать и исследовать схемы возбуждения МЭМС резонаторов;

• Исследовать схемы интегральных КГ и МЭМС генераторов;

• Исследовать шумовые характеристики интегральных генераторов и предложить методы их улучшения;

• Разработать практические схемы интегральных ТККГ и МЭМС генераторов.

Методы исследований. При выполнении работы были использованы: теория радиотехнических цепей и сигналов; теория математического моделирования; методы анализа переходных процессов (метод Гира, метод Эйлера, метод трапеций), методы моделирования электронных схем на основе программы Брес-й-еШ7 (РББ-анализ, анализ фазовых шумов и др.).

Научная новизна. В работе решены научные задачи, новизна которых заключается в следующем:

• предложен способ гибридной температурной компенсации интегрального кварцевого генератора с использованием программно-конфигурируемых полиномиальных коэффициентов;

• определена оптимальная ширина температурного поддиапазона для гибридной аналого-цифровой температурной компенсации с программно-конфигурируемыми полиномиальными коэффициентами;

• создана схема дифференциального кварцевого ГУН, обладающая уровнем фазовых шумов, сравнимых со схемой генератора Пирса, при большей температурной стабильности частоты;

• предложен способ перестройки частоты дифференциального кварцевого генератора с помощью цепей подстройки частоты, содержащих последовательно включенные ёмкость и МОП транзистор;.

• создана схема МЭМС генератора на ТИОУ, отличающаяся активной компенсацией искажений системы ограничения уровня выходного сигнала.

Практическая значимость результатов исследований:

• применение способа гибридной аналого-цифровой термокомпенсации позволяет на порядок уменьшить ошибку компенсации частоты при сохранении низкого уровня фазовых шумов;

• разработанная топология интегрального генератора с МЭМС позволяет организовать промышленный выпуск изделия;

• способ управления частотой генератора за счет изменения сопротивления цепи подстройки позволяет снизить занимаемую площадь кристалла и уменьшить его стоимость в массовом производстве;

Реализация результатов работы. Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008-2015 годы. Научные и практические результаты диссертационной работы использованы в ходе выполнения работ по ряду НИОКР на проведение исследований по созданию ТККГ и МЭМС генераторов частотой 10 МГц.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы получили положительную оценку при обсуждении на научно-технических конференциях различного ранга:

• на 22-м Европейском форуме по частоте и времени IEEE (Безансон, Франция, 2009);

• на Международной конференции Функциональная компонентная база микро-, опто-, и наноэлектроники (Харьков - Кацивелли, Украина, 2010);

• на 10-ой международной научно-практической конференции Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности (Санкт-Петербург, Россия, 2010);

• на 2-ой Региональной научно-практической конференции Омский регион - месторождение возможностей (Омск, Россия, 2011);

• на региональной научно-практической конференции ученых, преподавателей, студентов, специалистов промышленности и связи, посвященной Дню радио (Омск, Россия, 2011);

• на 14-ой международной конференции молодых ученых по волновой электронике и её применению в информационных и телекоммуникационных системах (Санкт-Петербург, Россия, 2011);

• на региональной научно-практической конференции ученых, преподавателей, студентов, специалистов промышленности и связи, посвященной Дню радио (Омск, Россия, 2012);

• на 8-ой международной научно-технической конференции Динамика систем, механизмов и машин (Омск, Россия, 2012);

• на региональной научно-практической конференции ученых, преподавателей, студентов, специалистов промышленности и связи, посвященной Дню радио (Омск, Россия, 2014);

• на 17-ой международной конференции молодых ученых по волновой электронике и её применению в информационных и телекоммуникационных системах (Санкт-Петербург, Россия, 2014).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 научных работ, из них: 9 текстов докладов на международных конференциях, 5 текстов докладов на региональных конференциях, 4 статьи в научно-технических журналах «Омский научный вестник», «Ползуновский вестник», включенных в перечень ВАК, свидетельство о государственной регистрации топологии ИМС.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Способ гибридной термокомпенсации с цифровым перепрограммированием полиномиальных коэффициентов.

2. Структура микросхемы ТККГ.

3. Схема интегрального ГУН без внешних элементов подстройки.

4. Схема МЭМС генератора на основе трансимпедансного усилителя.

Диссертация выполнена в Омском государственном техническом университете.

1. АНАЛИЗ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ОПОРНОЙ ЧАСТОТЫ 1.1. Краткая характеристика рассматриваемой проблемы

Увеличение информационных потоков, передаваемых по каналам беспроводной связи, развитие систем спутниковой связи и систем навигации способствует все большему ужесточению требований, предъявляемых к задающим генераторам, использующихся в оборудовании связи, при этом существеное значение приобретают миниатюрность, малое время выхода в рабочий режим после подачи питания и малое энергопотребление, являющиеся важными критериями для мобильного оборудования с батарейным питанием.

Квантовые стандарты частоты, характеризующиеся наибольшей стабильностью выходного колебания, обладают рядом недостатков, в частности большой потребляемой мощностью, габаритами и весом, что сужает применимость последних до стационарной аппаратуры и лабораторного оборудования.

Исторически наиболее распространенными источниками опорной частоты являются кварцевые генераторы, уступающие по долговременной стабильности лишь квантовым стандартам частоты, в то же время обладая лучшими параметрами по потребляемой мощности, масса-габаритным характеристикам, стоимости.

Увеличение загруженности частотных диапазонов приводит к ужесточению требований по стабильности частоты генераторов опорных частот и чистоте выходного сигнала. Среди факторов, влияющих на частоту выходного сигнала кварцевого генератора, выделяют изменение внешней температуры, величины питающего напряжения, давления, вибрации, изменения вектора силы гравитационного притяжения. Наиболее значимое влияние на частоту выходного сигнала оказывает изменение внешней температуры.

Увеличение температурной стабильности кварцевых генераторов достигается использованием двух методов: термостатирования и термокомпенсации.

Термостатирование подразумевает поддержание определенной температуры кварцевого генератора целиком или же только одного кварцевого резонатора, обычно близкой к экстремуму температурно-частотной характеристики (ТЧХ) кварцевого резонатора и превышающей температуру окружающей среды. Термостатированные генераторы обладают наилучшей температурной стабильностью среди кварцевых генераторов, однако большое энергопотребление, обусловленное поддержанием относительно высокой температуры резонатора и схемы генератора, ограничение температурного диапазона работы сверху, ввиду того, что окружающая температура не должна превышать температуру генератора, длительное время выхода на режим, обусловленное прогревом элементов генератора. Потребляемая мощность в стационарном режиме для большинства серийно выпускаемых термостатированных генераторов составляет порядка нескольких Вт и время установления частоты выходного колебания до полутора часов [7, 4, 34, 35, 71, 76, 77]. Термостатирование одного лишь кварцевого резонатора позволяет снизить потребляемую мощность до нескольких сот мВт и время выхода на режим до нескольких минут [34, 68, 83]. Тем не менее, достаточно большие габаритные размеры и энергопотребление ограничивают применение такого рода источников опорной частоты в большинстве мобильных устройств с малым энергопотреблением, интегральное исполнение не возможно. В таблице 1.1 приведены характеристики выпускаемых в настоящее время отечественными предприятиями термостатированных генераторов.

Таблица 1.1

Параметры Модель генератора

ГК54-ТС ГК68-ТС, 12В; ГК80-ТС, 5В ГК66-ТС ГК62-ТС ГК85-ТС ГК87- тс

Диапазон частот, МГц 4...20 9.5...10.5 10...26 5...16.384 10...26 50...10 0

Стандартные частоты, МГц 5; 8; 192; Ю; 13; 16.384; 20 10 Ю; 13; 16.384; 26 5; 8; 192; 10; 13; 16.384 10; 13; 16.384; 26 100

Размеры корпуса, мм 51x41x25 51x41x25(22) 36x27x16 51x41x19 25x25x12 51х51х 19

Температурная нестабильность в интервалах: • -10...60 8С • -20...70 8С • -40...70 8С 61-10"® 62.5-10"8 61-Ю"8 62-10"8 65-10"9 62-10"8 61-Ю"9 62-10"9 62-10"8 65-10"8 65-10"7

Долговременная нестабильность частоты: • за год • за 10 лет 65-10"8 62-10"7 61.5-10"7 65-10"7 61-Ю"7 65-10"7 65-10"8 62-10"7 62-10"7 65-10'7 65-10"7 62-10"6

Кратковременная нестабильность частоты за 1 с (вариация Аллана) 65-10"12 6110"11 61-10-" 65-1012 65-10"11 Нет данных

Фазовый шум, дБ/Гц, при отстройке от несущей: • 1 Гц, • 100 Гц, • 10000 Гц -105 -160 -95 -155 -95 -155 -100 -155 -85 -150 -115 -165

Потребляемый ток (мА): • стационарный, • макс, при разогреве 30(12В) 400(12В) 35(5В) 25(12В) 180(5В)100(12В) 80(12В) 200(12В) 180(12В) 500(12В) 150(5В) 500(5В) 100(12 В) 400(12 В)

Время установления частоты с точностью 1.10"7, минут. 5(АТ), 2(БС) 0.5 3 3 2 Нет данных

Термокомпенсация подразумевает формирование компенсирующего воздействия на генератор при неизменном дестабилизирующем факторе таким образом, чтобы суммарный уход частоты стремился к нулю [1 - 5, 10, 13, 17, 18, 21, 23 - 30, 36, 57, 60, 82, 86, 90, 97, 99, 119, 120, 132, 133, 146, 151, 152, 153]. Термокомпенсированные генераторы обладают малыми габаритными размерами, малым временем готовности при высоких значениях температурной ста-

бильности. Несомненным достоинством термокомпенсированных кварцевых генераторов является возможность интегрального исполнения.

Термокомпенсация частоты кварцевых генераторов берет начало в 60-х годах прошлого столетия, большой вклад в развитие этого метода внесли советские специалисты [25 - 31, 97] Г. Б. Альтшуллер, А. И. Александров, H.H. Ел-фимов, В. Н. Мурзин, В. А. Прохоров, В. Г. Шакулин и другие. В книгах Г. Б. Альтшуллера [7, 10] последовательно изложены вопросы построения термокомпенсированных кварцевых генераторов. В то же время вопросы термокомпенсации кварцевых генераторов интенсивно прорабатывались рядом зарубежных авторов М. Блохом, В. Гозлингом, Т. Адачи, М. Фрекингом и другими. В монографиии М. Фрекинга [92] изложены наиболее современные методы термокомпенсации кварцевых генераторов. В Омском государственном техническом университете проблемами, связанными с созданием высокостабильных термокомпенсированных генераторов, занимались В. Ф. Самойленко, В. П. Ба-гаев, А. В. Косых, А. Н. Лепетаев, Б. П. Ионов, С. А. Завьялов, А. В. Губарев [12,13, 14,15-20,28-33,36-49, 96, 97,102-112].

Типичная структура термокомпенсированного кварцевого генератора представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 Структурная схема типового термокомпенсированного

кварцевого генератора

Датчик температуры, используемый в ТККГ должен обеспечивать измерение средней температуры КР с достаточной точностью, как правило составляющей 0,01...0,1°С. Синтезатор компенсирующей функции должен обладать точностью воспроизведения компенсирующей функции порядка 0,1...1%. Генератор управляемый напряжением должен обладать необходимой перестройкой по частоте, обладать малым уровнем собственных шумов, долговременной стабильностью характеристики управления частотой выходного сигнала.

В качестве датчика температуры в первых образцах термокомпенсиро-ванных генераторов использовались терморезисторы, компенсирующее воздействие, вырабатываемое резистивно-терморезистивными цепями или мостовыми схемами, подавалось на варикап, входящий в схему генератора.

В таблице 1.2 приведены основные характеристики термокомпенсиро-ванных генераторов, выпускаемых зарубежными фирмами в настоящее время.

Таблица 1.2

Модель Фирма, Тип Sf, 10-6 Интервал температур Габариты, мм. Мощн. мВт Страна

ACT TCSW75 Advanced Crystal Technologies TCXO ±0,5 0...+50 5.0x7.0x2. 0 7,512,5 ик

К 1602 TCXO ±2 20.8x13.2 <100 ША

Champion х10

ЕСТ 107 TCXO ±2 -20 ...+70 36x26x10 50 - 225 ик

ECM Electronics

EQ3225 TCXO ±2.5 -30...+80 3.2x2.5x1 20/1К.15 ик

Euroquartz pF

FOX 312BE TCXO ±2.5 -20 ... +75 7.0x5.0x2. 10 ША

Fox Electronics 0

FOX 307 TCXO ±2.5 -20 ...+75 7x5x1.9 10/1 OK, 1 ивА

Fox Electronics OpF

JT22C TCXO ±2.5 -30 ...+75 2.5x2.0x0. 12/1КД5 Оегшапу

Jauch -40 ...+85 9 pF

GTXO-253 Golledge TCXO ±2.5 -30 ...+85 2.5x2.0x1. 0 7.2/1 OK, lOpF UK

МАХ-1 M-Tron Digitally assisted ±0.2 -20 ...+70 20.8x13.2 xlO 60-100/ TTL USA

NT2016SC NDK TCXO ±2.0 -30 ...+85 2.0x1.6x0. 8 2 Japan

OSO-TCC OnSpec DTCXO ±1 -20 ...+70 25x15x10 50/ HCMOS UK

QT2001 Q-Tech DTCXO Synthesizer ±0.03 -55... +85 78x44x17. 8 75/ USA

CDXO Rakon CDXO ±0.25 -40 ... +85 18x11x6.6 15 New Zeland

TX045 Raltron TCXO ±1.5 -30 ... +70 20.8x13.2 x7.6 100/ HCMOS USA

QED 45H Temex DTCXO ±0.2 -40 ...+85 36x26.19 250 France

QED-110 Temex DTCXO ±0.5 -40...+85 20x13x10 50 - 200 France

QEM-77 Temex MTCXO ±0.02 -30...+85 41x41x11. 5 30 France

DC130 Valpey-Fisher DTCXO ±0.2 -40 ... +85 20.3x12.6 xll 50 USA

В таблице использованы следующие обозначения: ТСХО - генератор с аналоговой термокомпенсацией; DTCXO - генератор с цифровой термокомпенсацией; DTCXO Synthesizer - генератор на основе цифрового синтезатора частот; МТСХО - генератор с микропроцессорной компенсацией; CDXO - генератор с внешней цифровой термокомпенсацией;

Digitally assisted - с гибридной цифро-аналоговой компенсацией.

Всего несколько иностранных фирм выпускают малогабаритные интегральные термокомпенсированные кварцевые генераторы, причем с типовыми значениями стабильностью частоты 5-Ю"6 в диапазоне температур -30 ... +80 °С. В России интегральные ТККГ не выпускаются. Это говорит о том, что существуют технические проблемы, преодоление которых требует проведения дополнительных исследований. В частности необходимо разработать методы синтеза КФ, обеспечивающие высокую термостабильность, исследовать вопрос перестройки интегральных ГУН без использования внешних варикапов, установить влияние изменения температуры на характеристики управления интегральных ГУН, уровень фазовых шумов при различных отклонениях технологических процессов.

Технологическая несовместимость процессов изготовления кварцевых резонаторов и традиционных полупроводниковых процессов (КМОП, БиКМОП) приводит к появлению полностью интегральных источников опорных колебаний, основанных на LC контурах и МЭМС резонаторах.

1.2. Основные характеристики интегральных источников опорной частоты

1. Частота опорных колебаний

2. Форма генерируемых колебаний (синусоидальная, меандр и т.д.

3. Диапазон перестройки, в котором частота управляемо изменяется

4. Кратковременная стабильность, определяющая нестабильность частоты в реальном времени в обычных условиях эксплуатации

5. Долговременная стабильность, определяющая стабильность частоты во времени и окружающих факторах

6. Выходная мощность

В дополнение к основным свойствам источников опорной частоты, необходимо отметить важность размера и энергопотребления генератора с точки зрения построения всей системы.

Требования, предъявляемые к преобразователям данных с высоким разрешением по сравнению с источниками тактирующего сигнала для микроконтроллеров, допускающих точность 2...5 % (хотя технологический разброс при производстве ЛС генераторов достигает 10...30%) более жесткие. На рисунке 1.2 показаны требования к джиттеру для высокочастотных АЦП с большим разрешением.

Рисунок 1.2 Требования к источнику опорных частот АЦП по джиттеру

Связь между джиггером сигнала опорной частоты и отношением сигнал шум АЦП может быть пояснена выражением:

1,000

Частота входного сигнала, МГц

J

1

(1.1)

2т$ ■ ¿Ж

где - отношение сигнал-шум.

Джиттер так же связан с фазовыми шумами и добротностью:

0)п

1+Л

/

^ т

А. №

\2

РкТ0(и /,

$т

(1.2) (1.3)

Высокие требования, предъявляемые к добротности резонаторов (так, для достижения разрешения аналого-цифрового преобразования 14 бит резонатор должен обладать нагруженной добротностью не менее 50000) не позволяют в такого рода приложениях применять интегральные ЬС генераторы, индуктивности которых обладают малой добротностью, ограниченной несколькими десятками. Жесткие требования, предъявляемые к источникам опорной частоты для высокоскоростных систем преобразования данных с большой разрешающей способностью, а так же беспроводных систем передачи данных могут быть выполнены с использованием кварцевых или МЭМС резонаторов.

1.3. Сравнение интегральных 1.С - КМОП генераторов, кварцевых генераторов и МЭМС генераторов

Сравнение типовых характеристик генераторов, основанных на МЭМС резонаторах, кварцевых резонаторах и ЬС контурах приведено в таблице 1.3.

Таблица 1.3 - Сравнение КМОП, МЭМС и кварцевых генераторов

Характеристика ЬС - КМОП генераторы МЭМС генераторы Кварцевые генераторы

Диапазон частот кГц - ГГц кГц - ГГц кГц - ~ 100 МГц

Диапазон под- >10 % 0,01 - 10% <0,1 %

стройки

Температурная зависимость частоты, АР/Б ° С -200 (после компенсации) 5-60 0,1 - 10

Добротность <20 >104 >104

Результирующая точность частоты -20 % -0,2 % 0,005-0,1 %

Потребляемая мощность -1 мВт -10 мВт -100 мВт

Занимаемая площадь кристалла л —0,1 мм -1 мм2 >10 мм2

Сравнение типичных характеристик генераторов на основе ЬС контуров, МЭМС и кварцевых резонаторов наглядно показывает увеличение стабильности при переходе от ЬС генераторов к кварцевым генераторам, причем увеличение стабильности сопровождается увеличением размеров и мощности, а так же снижением диапазона подстройки и рабочих частот. В то же время генераторы на основе МЭМС резонаторов могут быть оптимизированы как для достижения больших значений перестройки частоты, так и для достижения большей стабильности. Однако, так как МЭМС генераторы не могут конкурировать с полностью интегральными генераторами на основе ЬС контура по стоимости, логичным шагом является оптимизация конструкции МЭМС резонатора, для достижения параметров по стабильности частоты и малому уровню фазовых шумов, свойственных кварцевым генераторам и иметь возможность конкурировать с кварцем в приложениях, требующих более высокой стабильность.

1.3.1 Интегральные 1_С - КМОП генераторы

Интегральные ЬС и кольцевые генераторы повсеместно используются в качестве источников тактового сигнала в различного рода системах на кристалле. Наиболее значимой проблемой, связанной с использованием такого рода генераторов является вопрос достижения высокой стабильности частоты при изменениях внешней температуры и вариациях технологического процесса [87,88,135]. Существуют решения, использующие внешние источники компенсирующего воздействия [82,87], полностью интегральные решения имеют большое значение для микроминиатюризации и уменьшения стоимости. Компенсация отклонений технологического процесса зачастую основывается на результатах статистического моделирования процесса, что позволяет определить наихудший случай работы. Технологические уходы, учитываемые при статистическом моделировании (моделирование «углов» технологического процесса), как правило, основаны на отклонениях толщины подзатворных окислов, длин и ширин транзисторов, порогового напряжения.

1.3.1.1 Релаксационные генераторы

Схемотехнические решения релаксационных генераторов базируются на схемотехнике мультивибраторов и операционных усилителей, охваченных положительной обратной связью (ПОС). Типовая схема мультивибратора, выполненная в биполярном базисе показана на рисунке 1.3. Емкость С соединяет эмиттеры транзисторов УТ1, УТ4 и определяет величину периода колебаний мультивибратора. Для ограничения амплитуды напряжения на резисторах Ш, Я4 в некоторых случаях производится их шунтирование диодами.

с 11 кч

II

И(¥) Я2

КЗ

X X

Рисунок 1.3 Мультивибратор с эмиттерной связью Частота колебаний такой схемы (И. 1 =К4=11)определяется выражением:

/ =

/2=2-

и +

1 + -ЧД-С

ч 72

' I 4

«•С

(1.4)

(1.5)

(1.6)

Достоинством данной схемы является использование транзисторов одного типа проводимости, что позволяет использовать более дешевые технологические процессы без дополнительных рпр модулей. К недостаткам следует отнести сильную температурную зависимость частоты, обусловленную температурной зависимостью напряжения базо-эмиттерных переходов транзисторов.

1.3.1.2 Кольцевые генераторы

Наиболее распространенным методом построения кольцевых генераторов является использование нечетного количества инверторов, охваченных обратной связью (рисунок 1.4)

Рисунок 1.4 Кольцевой генератор на пяти инверторах

Эта схема имеет отрицательную обратную связь, тем не менее, каждый инвертор имеет фазовый сдвиг приблизительно 90° и частота единичного усиления соответствует фазовому сдвигу 180°. Как результат, схема нестабильна и происходит генерация. Каждые полпериода сигнал передается по кругу с инверсией. Полагая, что каждый инвертор имеет задержку и что таких инверторов п, получаем:

— = п-т

INV

(1.7)

Т 2-п-т

(1.8)

INV

Задержка инвертора определяется протекающим через инвертор током, как следствие регулировку частоты можно обеспечить путем ограничения протекающего через инверторы тока. В то же время существенным недостатком схемы является зависимость частоты генерации от величины напряжения питания, составляющая порядка 22 кГц/мВ, как следствие, любая помеха или шумы по питанию будут приводить к изменению частоты генерации. Неудовлетвори-

тельные показатели фазовых шумов -60 дБ/Гц при отстройке 1 кГц, -88 дБ/Гц при отстройке ЮкГц.

Исследования, направленные на минимизацию уровня фазовых шумов привели к появлению большого количества различных схемотехнических решений интегральных ЬС генераторов, однако ввиду одновременной оптимизации многочисленных переменных и интегральной реализации индуктивностей, многие аспекты остаются актуальной темой для дальнейших исследований. На рисунке 1.5 показан один из вариантов схемы ЬС генератора управляемого напряжением.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мурасов, Константин Владимирович, 2014 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Александров А.И. К расчету термокомпенсации частоты кварцевых генераторов. / Александров А.И. //Электросвязь, 1962, № 2, с. 67 - 69.

2. Альтшуллер Г.Б. Кварцевая стабилизация частоты./ Альтшуллер Г. Б.// -М.: Связь, 1974,276 с.

3. Альтшуллер Г.Б. Цифровая компенсация температурной нестабильности частоты кварцевых генераторов./Альтшуллер Г.Б., Елфимов H.H., Завьялов В.Д. //Техника средств связи, сер. ТРС, вып. 7,1981, с. 139 - 145.

4. Альтшуллер Г.Б. Кварцевые генераторы./ Альтшуллер Г.Б., Елфимов H.H., Шакулин В.Г. //Справочное пособие. - Москва: Радио и связь, 1984, 232с.

5. Альтшуллер Г.Б. К выбору элементов схем термокомпенсации изменений частоты кварцевых генераторов. / Альтшуллер Г.Б., Прохоров В.А. //Электросвязь, 1961, № 1, с. 24 - 32.

6. Альтшуллер Г.Б. Общий случай термокомпенсации частоты кварцевых генераторов./Альтшуллер Г.Б., Парфенов Б.Г //Вопросы радиоэлектроники. Сер. Детали и компоненты аппаратуры. 1963, № 6, с. 60 - 69.

7. Альтшуллер Г.Б. Кварцевая стабилизация частоты./ Альтшуллер Г.Б. -М.: Связь, 1974,276 с.

8. Альтшуллер Г.Б. Управление частотой кварцевых генераторов./ Альтшуллер Г.Б. // - М.: Связь, 1975, 304 с.

9. Альтшуллер Г.Б. Экономичные миниатюрные кварцевые генераторы./ Альтшуллер Г.Б., Елфимов H.H., Шакулин В.Г. // - М.: Связь, 1979, 160 с.

10. Альтшуллер Г.Б. Цифровая компенсация температурной нестабильности частоты кварцевых генераторов. / Альтшуллер Г.Б., Елфимов H.H., Завьялов В.Д. //Техника средств связи, сер. ТРС, вып. 7,1981, с. 139 - 145.

11. A.C. № SU 1817635. Устройство термокомпенсации кварцевого генератора. /Лепетаев А. Н., Ионов Б. П., Косых А. В. Багаев В. П. Опубл. В Б.И. № 1, 1992.

12. A.C. № 1004896 (СССР). Терморезонансный преобразователь. /Косых A.B., Ионов Б .П. - Опубл. В БИ № 10,1983.

13. A.C. № 1084938 (СССР). Термокомпенсированный кварцевый генератор. /Багаев В.П., Косых А.В, Лепетаев А.Н. Опубликовано в Б.И. № 13, 1984.

14. A.C. № 1100572 (СССР). Терморезонансный преобразователь. /Косых A.B. Опубл. в Б.И. № 24,1984.

15. A.C. № 1145450 (СССР). Термокомпенсированный кварцевый генератор. /В.Ф. Самойленко. - Опубл. в Б.И. № 10,1985

16. A.C. № 1241406 (СССР). Устройство для термокомпенсации кварцевого генератора. /Лепетаев А.Н., Косых A.B., Муляр А .Я. Опубликовано в Б.И. №24, 1986.

17. A.C. № 1332528 (СССР). Генератор с термокомпенсацией. /Косых A.B., Лепетаев А.Н., Багаев В.П., Ионов Б.П. Опубликовано в Б.И. № 31, 1987.

18. A.C. № 1443120 (СССР), 1987. Термокомпенсированный кварцевый генератор. /Багаев В.П., Косых A.B., Лепетаев А.Н., Ионов Б.П. Опубликовано в Б.И. № 45,1988.

19. A.C. № 1602367 (СССР) Устройство стабилизации частоты с цифровой термокомпенсацией. /Багаев В.П., Косых A.B. Ионов Б.П., Муляр А .Я., Лепетаев А.Н., Поляков В.В. Для служебного пользования. 1990.

20. A.C. № 1659972 (СССР). Генератор импульсов. /Багаев В.П., Косых A.B., Ионов Б.П., Лепетаев А.Н. Опубликовано в Б.И. № 24,1991.

21. A.C. № SU 1817635. Устройство термокомпенсации кварцевого генератора. /Лепетаев А. Н., Ионов Б. П., Косых А. В. Багаев В. П. Опубл. В Б.И. № 1, 1992.

22. A.C. № 243977 (СССР). Устройство для стабилизации частоты генераторов. /А.Н. Дикиджи, Л.Ш. Дикиджи, Л.Е. Ивлев, B.C. Теренько. - Опубл. в Б.И., 1969, №17.

23. A.C. № 508893 (СССР). Устройство термокомпенсации резонансной цепи. /Мурзин В.И., Альтшуллер Г.Б. Опубл. в Б.И. № 19,1976.

24. A.C. № 711659 (СССР). Устройство формирования термозависимого напряжения для генератора с термокомпенсацией частоты. /Альтшуллер Г.Б., Елфимов H.H., Мурзин В.И. Опубл. в Б.И. № 4, 1980.

25. A.C. № 758472 (СССР). Кварцевый генератор. /Марьяновский JI.C., Васец-кий Г.В. - Опубл. в Б.И. №31, 1980.

26. A.C. № 760398 (СССР). Кварцевый генератор. /Марьяновский JI.C. Опубл. в Б.И. № 32,1980.

27. Багаев В.П. Исследование двухкаскадного кварцевого автогенератора./ Ба-гаев В.П., Кабаков М.Ф., Лепетаев А.Н. //В кн.: "Пьезо- и акустоэлектрон-ные устройства". Межвузовский сборник научных трудов. Омск, 1981, с. 59-63.

28. Багаев В.П. Анализ методов термокомпенсации кварцевых генераторов./ Багаев В.П., Косых A.B. //В кн.: Пьезотехника и акустоэлектроника. Омск, 1983, с. 3-10.

29. Багаев В.П. Двухмодовый термокомпенсированный кварцевый генератор./ Багаев В.П., Косых A.B. Лепетаев А.Н. //Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Вопросы стабилизации частоты". Горький, 1985, с. 63-64.

30. Багаев В.П. Термокомпенсированный кварцевый генератор./ Багаев В.П., Косых A.B., Лепетаев А.Н., Самойленко В.Ф. //Ж. "Приборы и техника эксперимента", № 3,1985, с. 224-225.

31. Багаев В.П. Двухмодовый кварцевый генератор с цифровой термокомпенсацией./ Багаев В.П., Косых A.B., Самойленко В.Ф., Лепетаев А.Н. //Ж. «Электросвязь», № 3, 1986, с. 48-51.

32. Багаев В.П. Двухмодовый кварцевый генератор с цифровой термокомпенсацией./ Багаев В.П., Косых A.B., Самойленко В.Ф., Лепетаев А.Н//Информационный листок, № 202 - 86. Омск, ЦНТИ, 1986.

33. Багаев В.П. Прецизионный кварцевый генератор с цифровой термокомпенсацией./ Багаев В.П., Косых A.B., Лепетаев А.Н., Ионов Б.П., Завьялов

С.А. //В кн.: "Радиотехнические пьезоэлектронные устройства". Межвузовский сборник научных трудов. Омск, 1990, с. 28-34.

34. Вороховский Я. Шесть базовых моделей прецизионных малошумящих кварцевых генераторов для современного телекоммуникационного и навигационного оборудования. /Вороховский Я.//Электронные компоненты, № 4,1999. с. 64-65.

35. Ингберман М.И. Термостатирование в технике связи./ Ингберман М.И., Фромберг Э.М., Грабой Л.П// М.: Связь, 1979, 144 с.

36. Ионов Б.П. . Анализ температурно-динамической стабильности частоты термокомпенсированных кварцевых генераторов./ Ионов Б.П., Косых А.В//В кн.: Радиотехнические устройства пьезоэлектроники. Омск, 1985, с. 9-11.

37. Ионов Б.П. Термодинамические искажения частоты термокомпенсированных кварцевых генераторов./Ионов Б. П. //В сб.: Стабилизация частоты. Тезисы докладов межотраслевых научных конференций, совещаний, семинаров, - Москва, 1986, с. 30-33.

38. Кабаков М.Ф.Исследование двухкаскадного кварцевого автогенератора на ЭВМ./ Кабаков М.Ф., Лепетаев А.Н.//В кн.: "Пьезо- и акустоэлектронные устройства". Межвузовский сборник научных трудов. Омск, 1982, с. 72 -75.

39. Косых A.B. Методы построения синтезаторов компенсирующей функции для термокомпенсированных кварцевых генераторов./Косых A.B. //В кн.: Пьезо- и акустоэлектронные устройства. Омск, 1982, с. 85 - 90.

40. Косых A.B. Синтезатор компенсирующей функции кварцевого генератора со статистической обработкой информации./Косых A.B. //В кн.: Пьезотех-ника и акустоэлектроника. Омск, 1983, с. 11 - 14.

41. Косых A.B. Кварцевые генераторы с цифровой термокомпенсацией./Косых A.B. //В кн.: Радиотехнические пьзоэлектронные устройства. Омск, 1990, с. 4-12.

42. Косых А.В.Температурно-динамическая модель и температурно-динамическая компенсация кварцевых генераторов./ Косых А.В., Ионов Б.П., Васильев А.М.//В кн.: Радиотехнические пьзоэлектронные устройства. Омск, 1990, с. 13 -21.

43. Косых А.В. Dual-mode Crystal Oscillator (тезисы доклада)./ Косых А.В., Завьялов С.А., Лепетаев А.Н. //Международный Симпозиум 1998 года по акустоэлектронике, управлению частотой и генерации сигналов. Стр. 117. С. Петербург, Россия.

44. Косых А.В.. Dual-mode Crystal Oscillator./ Косых А.В., Завьялов С.А., Лепетаев А.Н. //Опубл. в трудах Международного Симпозиума 1998 года по акустоэлектронике, управлению частотой и генерации сигналов, - Санкт-Петербург, - Россия, 1998, стр. 236 - 240.

45. Косых А.В. Исследование двухмодового возбуждения кварцевых резонаторов./ Косых А.В., Завьялов С.А., Лепетаев А.Н. //Техника радиосвязи. Научно-технический сборник, вып. 5, Омск, 2000 г., с. 16 - 23.

46. Лепетаев А.Н. Разработка и исследование аппаратуры «Дельта-1»./ Лепетаев А.Н. // (Разд. 4.2.3, 5.1). Отчет ОмПИ № 01830010869. Научный руководитель Багаев В.П. Омск, 1983.

47. Лепетаев А.Н. Исследование методов улучшения качественных показателей термокомпенсированных кварцевых генераторов./ Лепетаев А.Н. // Отчет по НИР «Разработка и изготовление аппаратуры прецизионного радиоприборостроения» № 01830076554 .Научный руководитель Аржанов В.А. Разд. 3, 5.2, заключение. Омск, 1986.

48. Лепетаев А.Н. Разработка высокостабильного оперативного генератора "Биатлон" (глава 4)./ Лепетаев А.Н. // Отчет о НИР/ ОмПИ; Руководитель В.П. Багаев. - № ГР01870032649; Инв. № 02890035661. -Омск, 1988.

49. Мурасов К. В. Построение высокоэффективных источников опорных колебаний с использованием современной функциональной компонентной базы./ Мурасов К.В., Косых А.В., Хоменко И.В.//Функциональная компо-

нентная база микро-, опто-, и ианоэлектроники: Сб. науч. тр. международной конференции. Харьков - Кацивели 2010. - с.258-260.

50. Мурасов К.В. Применение генераторов термокомпенсирующей функции при разработке стабильных источников опорных колебаний на основе кварцевых резонаторов./ Мурасов К. В., Косых А. В., Хоменко И.В.// Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности. Материалы десятой международной конференции. СПб 2010. с. 217 -221.

51. Мурасов К.В. Микроминиатюрный кварцевый генератор с аналоговой температурной компенсацией./ Мурасов К.В.// Омский регион - месторождение возможностей: Материалы II Региональной научно-технической конференции. Омск 2011. - с. 134-136.

52. Мурасов К.В. Принципы построения ASIC сверхминиатюрных кварцевых генераторов с гибридной аналогово-цифровой температурной компенсацией./ Мурасов К. В., Косых А. В., Лепетаев А.Н.,// Радиотехника, электроника и связь. Материалы международной научно-технической конференции. Омск: изд-во "Радиотехника", 2011. - с. 530-534.

53. Мурсов К. В. Интегральный ASIC кварцевый генератор с гибридной аналого-цифровой температурной компенсацией./ Мурасов К. В., Косых А. В., Завьялов С. А., Лепетаев А. Н.//Омский научный вестник, 2011 №3(103) -с. 294 - 299.

54. Мурасов К. В. Исследование модели IBAR МЭМС резонатора в среде Cadence./ Мурасов К. В., Косых А. В., Завьялов С. А., Лепетаев А. Н., Фахрутдинов Р. Р.// Наука, образование, бизнес: Материалы региональной научно-практической конференции ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов промышленности и связи посвященной Дню радио. - Омск: Изд-во КАН, 2014. - с. 164-167.

55. Мурасов К.В. Моделирование полупроводникового датчика температуры, используемого в интегральных системах температурной стабилизации ча-

стоты источников опорных колебаний./Мурасов К.В.б Косых A.B., Завьялов С.А.//Ползуновский вестник, №3/1.-2011. - с.43-47.

56. Мурасов К.В. Источники тока с заданными параметрами температурной стабильности применяемые в интегральных термокомпенсированных генераторах./ Мурасов К.В., Завьялов С. А., Лепетаев А.Н.// Наука образование, бизнес: Материалы региональной научно-практической конференции ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов промышленности и связи, посвященной Дню радио. - Омск: Изд-во КАН, 2011. - с. 187-188.

57. Мурасов К.В. Моделирование источника тока с управляемым температурным коэффициентом для применения в интегральных термокомпенсированных кварцевых генераторах. /Мурасов К.В., Косых A.B., Завьялов С.А., Лепетаев А.Н.// Омский научный вестник №2(100), 2011. с. - 219-222.

58. Мурасов К.В. Линейный малошумящий усилитель для интегральных систем стабилизации частоты./ Мурасов К. В., Косых А. В., Завьялов С.А.// Наука образование, бизнес: Материалы региональной научно-практической конференции ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов промышленности и связи, посвященной Дню радио. -Омск: Изд-во КАН, 2012. - с. 178-182.

59. Мурасов К. В. Современные интегральные источники опорных колебаний./ Мурасов К.В., Косых A.B., Вольф Р.А.//Динамика систем, механизмов и машин. Материалы VIII международной научно-технической конференции. -Омск: Изд-во ОмГТУ, 2012. - с. 270-273.

60. Мурасов К. В. Микросхема МЭМС генератора опорной частоты на основе трансимпедансного усилителя/ (в печати).

61. Мурасов К.В. МЭМС генератор на основе трансимпедансного усилителя./ Мурасов К.В., Косых A.B., Завьялов С.А., Лепетаев А.Н.б Фахрутдинов Р.Р.//Свидетельство о государственной регистрации топологии ИМС №2014630123,2014г.

62. Патент № US 4048590 А (США). Integrated crystal oscillator circuit with few external components. / Dobberpuhl D. W. Опубл. 13.09.1977.

63. Патент № US 5004988 А (США). Quartz crystal oscillator with temperature-compensated frequency characteristics./ Ueno Y., Tanzawa Т., Suzuki T. Опубл. 2.04.1991.

64. Патент № US5117206 А (США). Variable capacitance circuit usable in temperature compensated oscillators./Imamura Y. Опубл. 26.05.1992.

65. Патент № US 6292066 B1 (США). Function generator, crystal oscillator device and adjusting crystal oscillation device./ Shibuya S., Takeuchi H., Matsuura J., Tateyama Y., Saeki Т. Опубл 18.09.2001.

66. Патент № US6603364 B2 (США). Temperature-compensated crystal oscillator and method of temperature compensation./Nemoto К. Опубл 5.08.2003.

67. Патент № US07768359 (B2) (США). Low phase noice differential crystal oscillator circuit. /Darabi H. Опубл. 3.08.2010.

68. Поздняков П. Г. Кварцевые резонаторы с пленочными нагревателями./ Поздняков П. Г., Федотов И. М., Бирюков В. Ш/Электронная техника. Сер. Радиокомпоненты, 1971, № 4, с. 27 - 37.

69. Плонский А.Ф. и др. Транзисторные автогенераторы метровых волн, стабилизированные на механических гармониках кварца / Плонский А. Ф., Медведев В. А., Якубец-Якубчик JI.JI//. - М.: Связь, 1969. - 208 с.

70. Прак, П. Система температурной компенсации ухода частоты на основе цифровых интегральных схем для задающих генераторов./ Прак, П. //Электроника, 1972, № 17, с. 63 - 66.

71. Семиглазов А. М. Кварцевые генераторы./Семиглазов А. М.// М.: Радио и связь, 1974,272 с.

72. Сергиенко А. В. Цифровая программируемая схема термокомпенсации ухода частоты кварцевого генератора. / Сергиенко А. В., Семиглазов А. М //Стабилизация частоты. М., 1980, с. 48 - 49.

73. Титце, У. Полупроводниковая схемотехника / У. Титце, К. Шенк : пер. с

нем. - М.: ДМК Пресс, 2008. Т. 1.-828 с Т. 2. - 942 с.

74. Фахрутдинов Р. Р. Прецизионный источник опорного напряжения с температурной компенсацией третьего порядка./Фахрутдинов P.P., Косых А.В., Завьялов С.А., Лепетаев А.Н., Мурасов К.В.// Материалы региональной научно-практической конференции ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов промышленности и связи, посвященной Дню радио. - Омск: Изд-во КАН, 2014. - с. 190-194.

75. Шакулин В.Г. Использование ЭВМ при проектировании и регулировке термокомпенсированных кварцевых генераторов./ Шакулин В.Г., Иркутский А.Н., Болотов А.К. //Техника средств связи, сер. ТРС, 1977, № 4, с. 93 -100.

76. Шитиков Г. Т. Стабильные автогенераторы метровых и дециметровых волн./ Шитиков Г. Т.// М.: Радио и связь, 1983,256с.

77. Шитиков Г.Т. Высокостабильные кварцевые автогенераторы. / Шитиков Г.Т., Цыганков П.Я., Орлов О.М// Под ред. Шитикова Г.Т. - М.: Советское радио, 1974, 376с.

78. Abdelmoneum М. A. Stemless wine-glass-mode disk micromechanical resona-tors./Abdelmoneum M. A., Demirci M. U., Nguyen С. T.// Proceedings, 16th Int. IEEE MEMS Conf., Kyoto, Japan, Jan. 19.-23,2003, pp. 698-701.

79. Abramzon I. Miniature OCXO Using DHR Technology./ Abramzon I., Borodit-sky R., Cocuzzi D.A.//Proc. of the 1997 IEEE International Frequency Control Symposium. 28-30 May 1997, Orlando, Flofida, U.S.A., pp. 943 - 946.

80. Bagaev V.P. The new method of statistic piece-wise-linear interpolation and its application to DTCXO creation./ Bagaev V.P., Kosykh A.V., Lepetaev A.N., Zavjalov S.A., Ionov B.P., Vasiliev A.M.//Proc. 47-th annual Frequency Control Symposium. Salt Lake City, USA, 1993, pp. 687 - 697.

81. Bannon F. III. High frequency micromechanical filters./Bannon F. D. Ill, Clark J. R., Nguyen C. T.// IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 35, no. 4,pp. 512-526, April 2000.

82. Barranco. B. Frequency tuning loop for VCOs./ Barranco B., Vazquez A., Si-nencio E., Huertas J.L.// Proceedings of the International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS) 1991, pp. 2617-2620, June 1991.

83. Bloch M. The microcomputer compensated crystal oscillator (MCXO)./ Bloch M., Moiers M., Ho J. //Proc. 1989 IEEE frequency control symposium. Pp.16 -19.

84. Butzen P. F. Leakage current in sub-micrometer CMOS gates./ Butzen P. F., Ribas R. P.//Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

85. CCIR Study Group VII. Characterization of frequency and phase noise.// Report no. 580-3," in Standard Frequencies and Time Signals, ser. Recommendations and Reports of the CCIR. Geneva, Switzerland: International Telecommunication Union (ITU), 1990, vol. VII (annex), pp. 160-171.

86. Chaoui H. CMOS analogue adder./ Chaoui H.// Electronics Letters vol. 31 - issue 3.

87. Chen H. A 2 GHz VCO with process and temperature compensation./Chen H., Lee E., Geiger R.// Proceedings of the International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS) 1999, pp. 569-572, May 1999.

88. Chen J. Design of a process variation tolerant CMOS op-amp in 6H-SiC technology for high-temperature operation./ Chen J., Koraegay K. T.// IEEE Trans, on Circuits and Systems-I: Fundamental Theory and Applications, vol. 45, no. 11,pp. 1159-1171,Nov. 1998.

89. Curry G. Oscilloquartz. D-TCXOs - the case for defense./ Curry G. //Electronic Engineering, November 1988, p. 41 -47.

90. Deno S. A Low Cost Microcontroller Comprnsated Crystal Oscillator./ Deno S., Hahnlen C., Landis D., Aurand R. //Proc. of the 1997 IEEE International Fre-

quency Control Symposium. 28-30 May 1997, Orlando, Flofida, U.S.A., pp. 954 -958.

91. Fakhrutdinov R. R. High precision 3-rd order temperature compensation voltage reference./Fakhrutdinov R. R., Murasov K. V., Zavyalov S. A.// XVII International Conference for Young Researchers Wave Electronics and Applications in Information and Telecommunication Systems. Saint-Petersburg, 1-5 June, 2014/ p 24.

92. Frerking M.E. Crystal Oscillator Design and Temperature Compensation./ Frerking M.E. // N.Y., Van Nostrand, 1978.

93. Fry S. Design and performance of precision miniature TCXOs./ Fry S.// Greenray industries, inc., 2007.

94. Fujil S. New Frequency Temperature Compensation Method for TCXO./ Fujil S., Kudo T., Takado H., Yamamoto T. A// - NEC Research and Development, 1981, N 63, p. 74.. .82.

95. Geen J.A. Single-chip surface micromatchined integrated gyroscope with 50°/h Allan deviation.// Geen J.A., Sherman S.J., Chang J.F., Lewis S.R.// JSSC, vol. 37, no. 12, Dec. 2002, pp. 1860-1866.

96. Halford D. Flicker noise of phase in RF amplifiers: Characterization, cause, and cure./ Halford D., Wainwright A. E., Barnes J. A.// Proc. Freq. Contr. Symp., Apr. 22-24.

97. Gubarev A.A. SPICE simulation of high-Q crystal oscillators: single and dualmode oscillator analysis./ Gubarev A.A., Kosykh A,V., Zavjalov S.A., Lepetaev A.N.//Proceedings of the 2003 joint meeting IEEE International Frequency Control Symposium and 17th European Frequency and Time Forum. Tampa, USA, 2003, pp. 606-614.

98. Gubarev A.A.The method of computer simulation of crystal oscillators based on measuring of nonlinear input impedance of oscillator circuit and it experimental verification./ Gubarev A.A., Lepetaev A.N., Zavjalov S.A., Kosykh A.V. //2002 IEEE International Frequency Control Symposium, New Orleans, Louisiana, USA, 2002, p. 103.

99. Hooge F. N. 1/f noise is no surface effect./Hooge F. N. //Physics Letters, 29A (3), 1969, 139-140.

100. Jackson E. The Microprocessor Compensated Crystal Oscillator - New Developments./ Jackson E., Rose B.//Proc. of the 1999 IEEE International Frequency Control Symposium. 13-16 April 1999, Besancon, France, pp. 376 - 379.

101. Jacquet E. Digitally Compensated TCXO With a Low Phase Noise Characteristics./ Jacquet E., Bardon J.-P., Bignon O. //Proc. of the 1999 IEEE International Frequency Control Symposium. 13-16 April 1999, Besancon, France, pp. 370 -375.

102. Kimball H. G. Handbook of selection and use of precise frequency and time systems./ Kimball H. G.// ITU, 1997.

103. Klein P. Effects of finite op-amp gain-bandwidth product on first generation current conveyors./ Klein P., Aronhime P.// Circuits and Systems, 1990., Proceedings of the 33rd Midwest Symposium.

104. Kosykh A.V. The New Method of statistic Piecewise-Linear Interpolation and its Application to DTCXO Creation./ Kosykh A., Bagaev V., Ionov B., Lepetaev A., Zavjalov S., Vasiliev A. //Proc. 47th Annual Frequency Control Symposium. Salt Lake City, USA, 1993, pp. 687 - 697.

105. Kosykh A.V. Dual- mode Crystal Oscillators with Resonators Excited on B and C Modes./ Kosykh A.V., Abramson I.V., Bagaev V.P. //Proc. of the 1994 IEEE International Frequency Control Symposium. 1-3 June 1994, Boston, Massachusetts, U.S.A., p. 578 - 586.

106. Kosykh A.V. Specific components investigation in digitally thermocompensated oscillator output signal spectrum./ Kosykh A.V., Lepetaev A.N.//Ninth European Frequency and Time Forum EFTF - 95. Abstracts, p. 85, Besancon, France, 1995.

107. Kosykh A.V. Theoretical and Experimental Investigation of Frequency Transient Process Caused In Crystal Plates Under Local Heating./ Kosykh A.V., Lep-

etaev A.N.//10-th European Frequency and Time Forum EFTF - 96. Book of Abstracts. P.55, Brighton, UK, 1996.

108. Kosykh A.V. Mutual-Mode Drive Level Dependence in Dual-Mode Resonators./ Kosykh A.V., Zavjalov S.A., Lepetaev A.N. //Proc. of the 1997 IEEE International Frequency Control Symposium. 28-30 May 1997, Orlando, Florida, U.S.A., pp. 696-703.

109. Kosykh A. Investigation of dual-mode excitation of crystal oscillator./ Kosykh A., Zavjalov S., Lepetaev A.//Proc. International symposium on acoustoelec-tronics, frequency control and signal generation. 1998, Moscow - St. Petersburg. p. 20 - 24.

110. Kosykh A.Drive level dependence in dual-mode resonators./ Kosykh A., Zavjalov S., Lepetaev A. //Proc. 12-th European Frequency and Time Forum, -Warsaw, - Poland, 1998, pr. 20.

111. Kosykh A. V. Investigation of dual-mode excitation of crystal oscillator. / Kosykh A. V., Zavjalov S. Lepetaev A.//Proceedings of 1999 Joint meeting of the European frequency and time forum and the IEEE International frequency control symposium. Besancon, France, 1999. - P. 1154 - 1157.

112. Kosykh A.V. Investigation of "Bagaev" Oscillator Circuit Intended for Sensor and Dual-Mode Application./ Kosykh A.V., Lepetaev A.N., Zavjalov S.A //Proc. of the 2001 IEEE International Frequency Control Symposium. 6-8 June 2001, Seattle, Washington, U.S.A., pp. 438 - 442.

113. Kosykh A. V. Algorithmic optimization of spectral and temperature characteristic of MTCXO./ Kosykh A. V., Lepetaev A. N. //Proc. 2003 IEEE International Frequency Control Symposium, Tampa, Florida, USA, 2003, pp. 450 - 457.

114. Kroupa V.F. Direct Digital Frequency Sinthesizers With the X-A Arrangement in the PLL Systems./ Kroupa V.F., Stursa J., Cizek V., Svandova H. //Proc. of the 2001 IEEE International Frequency Control Symposium. 6-8 June 2001, Seattle, Washington, U.S.A., pp. 799 - 805.

115. Lavasani H.M. An electronically temperature - compensated 427 MHz low phase-noise AIN-on_Si micrimechanical reference oscillator/ Lavasani H.M., Pan W, Ayazi F.// Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC), 2010 IEEE.

116. Lavasani S. Design and phase-noise modeling of temperature-compensated high frequency MEMS-CMOS reference oscillators/Lavasani S. H. M. // Ph. D. Thesis, Georgia Institute of Technology, 2010. - 239 p.

117. Lepetaev A. The quartz resonator with independent (orthogonal) dual-mode excitation./ Lepetaev A., Kosykh A.//Proceedings of 19-th European Frequency and Time Forum EFTF- 2005. pp. 263 - 266, Besancon, France, 2005.

118. Lepetaev A.N. Optimization of the crystal oscillator excitation circuit by low phase noise criterion./ Lepetaev A.N., Murasov K.V.//XVII International Conference for Young Researchers Wave Electronics and Applications in Information and Telecommunication Systems. Saint-Petersburg, 1-5 June, 2014/ p 33.

119. Li S. Self-switching vibrating micromechanical filter bank./ Li S., Lin. Y., Ren Z., Nguyen C.T.// Proceedings, IEEE Combined Int. Frequency Control/Precision Time & Time Interval Symposium., Vancouver, Canada, Aug. 2931,2005, pp. 135-141.

120. McWhorter A. L. 1/f noise and germanium surface prosperities. In Semiconductor Surface Physics/ McWhorter A.L., Kingdton R. H.// University of Pennsylvania Press, Philadelphia, PA, 1957, pp. 207-228.

121. Mroch A. B. A miniature High Stability TCXO Using Digital Compensation./ Mroch A.B., Hykes G.R. //Proc. 30th A.F.C.S., Washington, B.C., 1976, p. 292 - 300 .

122. Murasov K.V. Micro miniature temperature compensated crystal oscillator (TCXO)./ Murasov K.V.// XIV International conference for young researcher wave electronics and its applications in the information and telecommunication systems. Saint-Petersburg, 30 May - 03 June, 2011. p35.

V ¡V

Y»

'i'

123. Murasov K. V. The method of modeling of VCO based on SPICE simulation./ Murasov K. V., Kosykh A. V., Lepetaev A.N., Zavyalov S.A.// Proc. Frequency Control Symposium, 2009 Joint with the 22nd European Frequensy and Time forum. IEEE International. Besanson, France, 20-24 April 2009, pp 978-981. ISSN: 1075-6787, ISBN: 978-1-4244-3511-1.

124. Murasov K. V. Integrated MEMS oscillator./Murasov K.V.// XVII International Conference for Young Researchers Wave Electronics and Applications in Information and Telecommunication Systems. Saint-Petersburg, 1-5 June, 2014/ p 29.

125. Nguyen C.T. 61-4 integrated micromechanical circuits fueled by vibrating RF MEMS technology./ Nguyen C.T., Berkeley C. A.// Ultrasonics Symposium, 2006. IEEE.

126. Nguyen C.T. An integrated CMOS micromechanicalresonator high-Q oscillatory/Nguyen C.T., Howe R.T.//JSSC, vol. 34, no. 4. Apr. 1999, pp. 440-455.

127. O K. K. 1/f noise of NMOS and PMOS transistors and their implications to design of voltage controlled oscillators./ O K. K., Park N, Yang G-J.// Radio frequency integrated circuits (RFIC) symposium, 2012 IEEE.

128. Park N. Comparison of 1/f Noise of 0.25 um- NMOS and PMOS Transistors from Deep-subthreshold to Strong Inversion./ Park N., O K. K.// Accepted to 16th International Conference on Noise in Physical Systems and 1/f Fluctuations. 153-157pp.

129. Pepe F. Analysis and minimization of flicker noise up-conversion in radoi-frequency LC-tuned oscillators./ Pepe F.//Doctoral dissertation, Politécnico di Milano, Dipartamento di electrónica, Informaione e bioingegneria, Doctoral programme in information technology, Italia, Milan 2013.

130. Razavi B. RF Microelectronics/Behzad Razavi B// New York: Printece Hall, 2011.-916p.

131. Rubiola E. On the 1/f Frequency Noise in Ultra-Stable Quartz Oscillators./ Ru-biola E., Giordano V.// FEMTO-ST Institute, CNRS and Universite de Franche Comte, Besancon, France, 2008.

132. Rutman J. Characterization of phase and frequency instabilities in precision frequency sources: Fifteen years of progress./ Rutman J.// Proc. IEEE, vol. 66,no. 9, pp. 1048(1075, Sept. 1978.

133. Salvia J. А 56МП CMOS TIA for MEMS Applications./ Salvia J., Lajevardi P., Hekmat M., Murmann В.// IEEE 2009 Custom Integrated Circuits Conference (CICC).

134. Sharma A. A 104-dB dynamic range transimpedance-based CMOS ASIC for tuning fork microgyroscopes./ Sharma A., Zaman M.Z., Ayazi F.// JSSC, vol. 42, no. 8, Aug. 2007, pp. 1790-1802.

135. Shyu Y. A process and temperature compensated ring oscillator./Shuy Y., Wu J.// Proceedings of the First Asia Pacific Conference on ASICs, 1999, pp. 283286, Aug. 1999.

136. Silicon MEMS Timing Architecture: [Электронный ресурс]// URL: http://www.sitime.com/technology/mems-oscillators/architecture/. (Дата обращения 07.10.2014).

137. Single-Die MEMS Oscillators: [Электронный ресурс]// URL: http://www.sitime.com/technology/mems-oscillators/architecture/single-die-oscillator/. (Дата обращения 07.10.2014).

138. Srivastava A. Modeling and analysis of leakage power considering within die-process variations./ Srivastava A., Bai R., Blaauw D., Sylvester D.// Proceedings of International Symposium on Low Power Electronic Design, 2002.

139. Sundaresan K. A low phase noise 100 MHz silicon В AW reference oscillator/ Sundaresan К., Ho G. K., Pourkamali S., Ayazi F.//IEEE 2006 Custom integrated circuits conference (CICC).

140. Sundaresan K. A two-chip, 4-MHz, microelectromechanical reference oscilla-tor./Sundaresan K., Ho G. K., Pourkamali S., Ayazi F.// Proc. Itnl. Circ. Sys. 2005, Kobe, Japan, May 23-26,2005, pp. 5461-5464.

141. Szekely V. CMOS temperature sensors and built-in test circuitry for testing of ICs/ Szekely V.// Sensors and Actuators, Vol. 71, pp. 10-18, Nov. 1998.

142. Tabrizian, R. A 27 MHz temperature compensated MEMS oscillator with sub-ppm instability/ Roozbeh Tabrizian, Mauricio Pardo, Farrokh Ayazi// Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia, USA.

143. Takehiko A. A Realization Method of CMOS Temperature Characteristics Compensation Circuit for TCXO./Takaheiko A.//Papers of Technical Meeting on Electronic Circuits. 2005 . - Vol. ECT-05. - no. 56-59, - pp. 13-18.

144. Taslakov M. Direct Digital Synthesizer With Quasi Continuous Temperature Compensation./ Taslakov M. //Proc. of the 2001 IEEE International Frequency Control Symposium. 6-8 June 2001, Seattle, Washington, U.S.A., pp. 811-815.

145. Theobald G. Dynamic thermal behavior of quartz resonators./ Theobald G., Marineau G., Pretot R. Gagnepain 1.1. //Proc. 33-th A.F.C.S., 1979, p. 239 -246.

146. Toshiaki K. A Digitally Temperature Compensated Compact PLL Module./ Toshiaki K., Hiroyuki I., Takaaki H. //Proceedings of 1997 International Frequency Control Symposium, - Orlando, - USA, 1997, pr. 969 - 975.

147. Vanier J. The Quantum Physics of Atomic Frequency Standards./ Vanier J., Au-doin C.// Bristol, UK: Adam Hilger, 1989.

148. Vig J.R. IEEE Standard Donations of Physical Quantities for Fundamental Frequency and Time Metrology {Random Instabilities./Vig R R.// IEEE Standard 1139-1999, IEEE, New York, 1999.

149. Walls F. L. Origin of 1/f PM and AM noise in bipolar junction transistor amplifiers./ Walls F. L., Ferre-Pikal E. S., Jefferts S. R.//IEEE Trans. Ultrason., Fer-roelect., Freq. Contr., vol. 44, pp. 326-334, Mar. 1997.

150. Wang K. VHF free-free beam high-Q micromechanical resonators./Wang K., Wong A., Nguyen C. T.// IEEE/ASME J. Microelectromech. Syst., vol. 9, no. 3, pp. 347-360, Sept. 2000.

151. Warwick G.A. A Digital Technique for Temperature Compensation of Crystal Oscillators./ Warwick G.A., Gosling W., Prescott A.J. //Proc. Radio Receivers and Assoc. Syst., Southampton, 1978. London, p. 207 - 216.

152. Wojciechowski K.E. A MEMS resonant strain sensor operated in air./ Wojciechowski K.E., Boser B.E., Pisano A.P.//Proc. 17-th IEEE MEMS 2004, Maastricht, Netherlands, Jan. 25-29,2004, pp. 841-845.

153. Wong A. Micromechanical mixer-filters ("mixlers")./ Wong A., Nguyen C.T.//IEEE/ASME J. Microelectromech. Syst., vol. 13, no. 1, pp. 100-112, Feb. 2004.

154. Zhou W. The Functions of the Precision Frequency Measurement Technique in MCX0./ Zhou W., Wang M. //Proc. of the 1994 IEEE International Frequency Control Symposium. 1-3 June 1994, Boston, Massachusetts, U.S.A., pp. 604 -607.

155. Zhou W. An Improvement Method of MCXO./ Zhou W., Xuan Z., Wang Y. //Proc. of the 1999 IEEE International Frequency Control Symposium. 13-16 April 1999, Besancon, France, pp. 351 - 353.

Ректо

алаи

20

АКТ

о внедрении научных и практических результатов диссертации Мурасова К. В.

Научные и практические результаты диссертационной работы Мурасова Константина Владимировича использованы ФГБОУгВПО «Омский государственный технический университетов ходе выполнения ОКР * «Разработка технологии изготовления передающего устройства ФМн сигналов»;

^ Объектами внедрения являются:

1. Предложения по реализации задающего генератора с высокой О-стойкостью на МЭМС резонаторе (Свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы № 2014630123 / Мурасов К. В., Косых А. В., Завьялов С.' А.; Лепетаев А. Н., Фахрутдинов Р. Р.; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет; заявл. 07.08.2014; опубл. 01.10.2014).

2. Предложения по обеспечению: температурной стабильности задающих генераторов на, основе ^пьезоэлектрических и МЭМС резонаторов путем компенсации уходов частоты при помощи гибридной аналого-цифровой системы термокомпенсации с возможностью программного конфигурирования полиномиальных коэффициентов.