一种高精度温度补偿型实时钟电路

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214072）

一种高精度温度补偿型实时钟电路

陈富涛

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214072）

设计了一种与环境温度变化无关、输出时钟频率保持恒定的温度补偿实时钟电路，可实现宽温度范围内（-40～85℃）时钟精度小于±5×10-6，即年累计计时误差小于2.5min。该电路内置32.768kHz音叉型石英晶体振荡器，内置温度传感器可以定时检测器件温度，采用模拟和数字校准等温度补偿的方法可大幅度提高温度补偿精度和范围。该电路出厂时已经完成全温度范围内的温度校准，客户可直接使用。

实时钟电路；时间记录；温度补偿振荡器；石英晶体振荡器

1 引言

晶体振荡器是使用震动的压电材料晶体的机械共振来产生具有非常精确频率的电信号的电子电路。该频率用于不同的应用，例如记录时间或提供用于数字集成电路的稳定的时钟信号，以及稳定无线发射器的频率等等。其中音叉晶体一般被切割为使得其频率相对于温度是以25℃为中心的抛物线(图1)，这意味着音叉晶体振荡器在室温下靠近其目标频率32.768kHz共振，但是当温度从室温升高或降低时低于目标频率共振，其通用抛物线系数-0.04×10-6/℃2,室温下(25℃)精度典型值为±20×10-6，相当于每天慢或快1.7 s，即每年误差10.34 min。如图1所示，在高温和低温区域精度变差，精度会低于150×10-6(典型值)，相当于每天误差13.0 s，每年误差1.3 h。对于要求各种外界环境下精确计时的系统如便携式计算机、手机和GPS设备等，如此大的误差就无法忍受了。

特定频率f和温度t的典型晶体频率偏差Δf为：

其中，f是晶体标称频率32.768 kHz，k是曲率常数，t是温度，to为顶点温度，fo是顶点温度下的相对频偏。

从式（1）可以看出：只有3个变量控制着每个晶体的温度特性——曲率常数、顶点温度、顶点温度下的相对频偏。曲率常数对全温范围内频偏的抛物线形状影响最大，但这个常数本身的偏差很小。不同的转折温度可以将抛物线左/右平移，不同转折温度下的相对频偏可以将抛物线上下平移，to顶点温度一般为25± 5℃,曲率常数k为-0.04×10-6/℃2，而fo顶点温度下的相对频偏一般为±20×10-6，该公式可用于温度补偿算法。

图1 晶振精度随温度变化曲线图

2 温度补偿原理

2.1 内置晶振封装

利用集成电路制造工艺将石英晶体振荡器与RTC电路集成封装于同一个管壳内，这种内置晶振封装相对于外接晶振而言有如下好处：

图2 内置晶振封装结构示意图

·保证RTC和晶体良好地工作(合适的负载电容及ESR)；

·省去了晶体采购问题；

·不必考虑晶体的布板问题(PCB)；

·不会像通孔式晶体那样额外增加生产步骤。

此外由于减小了寄生电容、PCB上杂质引起的泄漏，并且避免了不恰当的晶体负载电容，使得计时精度有所改善。

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2.2 模拟温度补偿原理

晶体的振荡频率受负载电容和温度变化的影响。一个负载电容为12.5 pF的晶体，当负载电容变化时其振荡频率偏差的随动特性如图3所示。

图3 频偏与负载电容关系曲线

振荡电路匹配电容的离散性和温度漂移、电路板的分布电容都会对振荡频率造成影响。不同类型的音叉型石英晶振具有不同的负载电容参数如CL=6.0 pF或者12.5 pF等等，其中晶振负载电容参数与内部集成的电容需要满足如下关系：CL=[(CL1×CL2)/(CL1+CL2)+ CSTRAY]，CSTRAY为振荡器电路的寄生电容，需要采用版图技巧降低寄生电容的大小，一般选取内部集成电容CL1和CL2为负载电容的两倍。

图4 振荡器等效电路图

把CL1和CL2设计为电容阵列的形式，包括粗调和细调两种电容阵列。粗调的负载电容步进较大，用于振荡频率的粗调，而细调的负载电容步进较小，用于振荡频率的细调；两者结合起来模拟补偿电路具有0.5×10-6到4000×10-6的补偿能力。

图5 模拟温度补偿原理图

利用集成电路制造工艺将石英晶体振荡器与RTC电路集成封装于同一个管壳内，RTC电路内置晶体振荡器电路、串行接口(单线接口、I2C或3线SPI)、温度传感器、模拟和数字校准电路、内置EEPROM存储修调数据，由于芯片具有集成度高、面积小、补偿温度范围宽和低功耗等特点，可作为数字网络、通讯和各种便携式电子产品等的精确频率源使用。

2.3 数字温度补偿原理

通过串口可以访问数字内部校准寄存器，可以定时调整时间。这种方法并不改变晶体的任何特性，但可以上下调整32.768 kHz抛物线，在指定温度使精度达到0.0×10-6。这是通过在振荡器分频链上加、减时钟脉冲实现的。需要减去的时钟脉冲（负校准减时钟）或需要插入的时钟（正校准加时钟）由寄存器的数值设置。加时钟脉冲，时间加快；减时钟脉冲，时间减慢。数字校准寄存器包括补偿的时间间隔(compensation interval)和补偿值(compensation value)。补偿电路根据配置在固定的时间间隔内(compensation interval)增加或减少振荡周期。补偿间隔（compensation interval）是无符号整数，取值范围是 1～255 s；补偿值（compensation value）的取值范围是-128～127。增加或减少一个振荡周期将会产生±30.5×10-6（1/32768）的频率偏移，所以此补偿电路具有0.119×10-6（interval= 255，value=1）到3906×10-6（interval=1,value=-128）的补偿能力。如果补偿间隔（compensationinterval）或补偿值（compensationvalue）之一设置为0将禁止补偿功能。

在没有启动补偿的情况下，每个秒脉冲的周期都是T（包含32768个时钟振荡）。如果启动补偿并设置补偿间隔为M，补偿值为V，那么在每个补偿周期（M秒内），第一个秒脉冲周期会增加或减少V个时钟振荡，变为32768±V个时钟振荡。第一个秒脉冲的长度与其他秒脉冲长度不同。在图7中，补偿间隔为M，补偿值为V。

其内部器件老化寄存器可以通过串行接口访问，可以提供进一步的负载电容和温度补偿，补偿晶体老化造成的精度损失。

图7 电路实现系统框图

3 电路实现

该电路内部主要模块包括石英晶振、晶体振荡器电路、温度传感器、AD转换器、EEPROM电路、计时和万年历电路以及模拟校准和数字校准电路。

石英晶振(音叉型32.768 kHz石英晶振，与集成电路封装在一起)和振荡器电路输出32.768 kHz的时钟信号，经过计时器链分频产生1Hz的秒脉冲信号，该信号作为计时和万年历电路的基准信号，同时32.768 kHz和1 Hz的时钟信号可经过FOUT0和FOUT1引脚输出，用于频率校验。

内置温度传感器可以定时检测器件温度，采用模拟校准和数字校准相结合的温度补偿方法提高计时精度，老化寄存器可以提供进一步的负载电容和温度补偿晶体老化造成的精度损失，数字校准寄存器和老化寄存器可通过串口访问，以便客户灵活地补偿由于外界环境温度变化、热冲击和老化等对计时精度产生的影响。

温度传感器电路采用固定工作电流偏置的二极管连接PNP管的Vbe结电压负温度特性检测环境温度的变换，转换为相应的电压信号。

AD转换器模块为了取得低功耗，一般采用12位逐次逼近型（SAR）AD转换器，将温度传感器测得的电压信号转换为数字信号。该数字信号作为EEPROM电路的地址信号进行查表，在不同的温度下，根据FOUT0输出频率与标准的32.768 kHz的频率偏差值，结合晶振负载与振荡频率关系曲线选取相应的负载电容阵列大小进行模拟补偿，通过调整负载电容的大小加快或减慢振荡器时钟频率，在数字校准模式下则根据频率偏差值在计时器链中选取合适的补偿间隔和补偿值进行补偿，使得计时器链的输出为精确的1Hz。

EEPROM电路存储晶振的频率补偿信息，根据温度检测结果自动选择合适的频率校准信息，在模拟校准模式下，根据温度检测结果，自动选取电容阵列中负载电容的大小，调整振荡器的震荡频率使其为准确的32.768 kHz。在数字校准模式下，自动选取数字校准寄存器中的时间间隔(compensation interval)和补偿值(compensation value)相应寄存器的值，使得计时器链分频后的输出为精准的1 Hz。在没有启动补偿的情况下，每个秒脉冲的周期都是T（包含32768个时钟振荡）。如果启动补偿并设置补偿间隔为M，补偿值为V，那么在每个补偿周期（M秒内），第一个秒脉冲周期会增加或减少V个时钟振荡，变为32768±V个时钟振荡。第一个秒脉冲的长度与其他秒脉冲长度不同。

老化寄存器可以提供进一步的负载电容和温度补偿晶体老化造成的精度损失，数字校准寄存器和老化寄存器可通过串口访问，以便客户灵活地补偿由于外界环境温度变化、热冲击和老化等对计时精度产生的影响。

串行接口可以让客户访问内部的数字校准寄存器和老化寄存器，对后续的电路应用进行灵活的配置和补偿，此外还可以通过串口读出计时信息（秒、分和时）和万年历信息（日、星期、月、年和世纪等）。

4 电路测试与验证

该电路采用CMOS 0.35μm EEPROM 2P3M工艺实现，芯片概貌如图8所示。

图8 芯片概貌图

芯片主要功能模块包括：256位EPROM用于存储校准值，参考电压为12位SAR AD转换器提供参考电压信号，温度传感器模块用来测量芯片实时温度，此温度经过SAR ADC转换为数字信号，用于EEPROM查表地址。

芯片引脚包括：I2C总线接口信号(SCL和SDA)，中断输出信号IRQN输出各种中断信号（倒计时、闹钟等），CLKOUT为时钟信号输出，可输出高精度32.768 kHz或秒脉冲时钟信号，CLKEN用来选择CLKOUT的输出模式。OSC1和OSC2为晶振输入和输出引脚，其他引脚NC1、NC2、TEST1、TEST2为EEPROM编程相关引脚，用于工厂测试模式下完成温度校准。

图9 SOP14内置晶振X光照片

流片完成后采用内置晶振SOP14封装，X光照片见图9，圆柱形为石英晶振，晶振下方为芯片和引线框架，封装后的成品电路采用自动温度补偿系统进行全温度范围内的温度补偿，具体全温度补偿校准流程如图10所示。

图10 TCXO自动测量系统框图

（1）把电路放置于测试板上的夹具中，每个夹具对应唯一的序列号，然后置于高低温温箱中，连接好各仪器设备，打开电源。

（2）PC机运行相应的上位机软件，初始化温箱、频率计和稳压源，设定相应的配置参数(如电源电压为5 V，EEPROM编程电压12 V，中心频率为32768 Hz，测试温度范围为-45～85℃，10℃步进)，监测各个夹具位电路的频率输出，判断各个电路的频偏是否超过最大补偿范围，如超过则提示更换相应编号电路。

（3）开始温度补偿程序，程序控制切换到0号夹具，开始降温至-40℃，保温30 min后，通过EEPROM调节负载电容大小，使输出频率越来越接近32768 Hz标准频率，直到满足要求（频偏＜±1×10-6），记录补偿前后的频率值、相应EEPROM地址和负载电容大小；然后夹具位置加1，移向1号位测量，直到所有夹具测试完毕；开始升温10℃至-30℃，保温20 min，测试记录数据，完成所有夹具位温度补偿；继续升温，保温、测量，直至全部温度点测试完毕，完成所有电路在不同温度点下的校准流程。

（4）根据所测不同温度点的补偿数据，拟合每一个夹具位电路的温度补偿曲线，通过EEPROM写入到相应的地址中，完成该批电路的温度补偿，至此温度补偿程序完成。

（5）开始复测程序，程序控制切换到0号夹具，开始降温至-40℃，保温30 min，监测各个夹具位电路的频率输出是否满足要求（频偏＜±5×10-6），开始升温至所需抽测温度点，切换夹具位，直至完成各个夹具位的补偿后进行频率测试，频偏＜±5×10-6，记录相应测试数据，完成该批电路的校准测试。

上述校准流程完成后，时钟精度如图11所示，其中X轴为温度(℃)，Y轴为频率偏差，在全温度范围(-40℃～85℃)内，校准前计时精度在150×10-6左右，相当于每天误差13.0 s，每年误差1.3 h。而校准后，计时精度可达±5.0×10-6，即年累计计时误差小于2.5 min，可实现精确计时，同时此电路也作为温度补偿时钟为SOC或者MCU电路提供高精度32.768kHz时钟信号。

图11 校准前后的频率偏差温度曲线对比图

5 结论

一种内置晶振的高精度数字温度补偿实时钟电路，采用0.35 μm CMOS EEPROM工艺实现，在全温度范围(-40～85℃)内计时精度小于±5×10-6，内置温度传感器可以定时检测器件温度，采用模拟校准和数字校准相结合的温度补偿的方法可大幅度提高温度补偿精度和范围，老化寄存器可以提供进一步的负载电容和温度补偿晶体老化造成的精度损失，数字校准寄存器和老化寄存器可通过串口访问，以便客户灵活地补偿由于外界环境温度变化、热冲击和老化等对计时精度产生的影响。

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图10 倾斜视觉检测相机和光源

图11 倾斜视觉检测的比对效果

8 结论

视觉检测是测试包装设备实现自动化的重要手段，倾斜视觉检测能够清晰抓取器件塑封体表面的打印码内容图像。以此为判断标准，倾斜视觉检测能够识别出外观对称器件在载带中方向是否倒反。通过在设备上加装倾斜视觉检测系统，能够有效杜绝不同器件批次混淆和器件在载带中方向放反的问题，提升产品质量。

作者简介：

唐明津（1955—），男，马来西亚人，资深高级工程师，现任职于英飞凌科技（无锡）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

陈富涛（1979—），男，山东聊城人，硕士研究生，高级工程师，研究方向为模拟CMOS集成电路设计。

2016-6-23