MEMS振荡器的背景和引擎架构

正常情况需要该温度传感器来补偿MEMS振荡器在整个温度上的频率变化。为了在存在快速温度波动的情况下保持频率稳定性，重要的是使传感器前端和谐振器本身之间的热耦合最大化.基于两种振动模式的体声学模式微谐振器的温度测量和补偿中的工作采用MEMS振荡器，它具有两种不同温度系数的基本振荡模式。因此，可以通过测量每种模式的频率变化的比率来找到温度。

在这种架构中，传感器前端是石英晶振的一部分，这导致紧密的热耦合。然而，在这种谐振器中模态相互作用的可能性限制了设计自由度，并且对于低PN可能不是最佳的。使用集成微炉和锁相环的MEMS振荡器的实时温度补偿中的传感器利用两个频率为f1和f2的谐振器，以及不同的温度系数，封装在硅片上制造的低功率微型烤箱中。PLL通过锁定频率为f1-f2和f1/N的信号的相位来调节柱箱温度，其中N被正确选择，使得两个信号在特定温度下具有相同的频率。使用这种实际应该归类为炉控的MEMS振荡器的拓扑结构，作者可以成功地实现<±1ppm的频率稳定性。然而，与前面的例子类似，为了避免谐振器通过烤箱之间的模态相互作用，它们可能无法针对最佳PN进行优化。

图一

如图1所示，测量具有不同温度灵敏度的两个片上振荡器的频率比是实现温度传感器的众所周知的方法。这种传感器的分辨率由进口有源晶振的PN以及频率比发动机本身的随机和/或量化噪声确定。采用低抖动MEMS生成时钟和低噪声频率比引擎，可以被视为实现目标分辨率的解决方案。因此，除了MEMSTF之外，还采用温度系数为-7ppm/K的温度感应MEMS（MEMSTS）谐振器来产生ClkTS，频率比引擎的第二输入时钟，其在fTS=45MHz下振荡。如图2所示，两个谐振器紧接在一起以最大化它们的热耦合。每个谐振器包括四个环，用于电容驱动和传感，并由交叉构件耦合。两个石英晶体谐振器均达到150000的典型品质因数。通过操纵谐振器的机械特性严格控制它们的温度灵敏度。在该方案中，设计TDC的挑战实际上缩小到实现频率比引擎，其输出噪声由其两个输入时钟的PN控制。

图二

B.新的频率比引擎架构

如图3a所示，本文提出了一种新方法，该方法基于测量两个时钟上升沿之间的时间差Ti来运行，从而利用所有转换点上的可用信息。

图三

通过使得到的Ti序列通过最佳滤波器，可以以期望的分辨率和速度测量两个频率之间的比率。最佳滤波器可以是高阶低通声表面滤波器或最小均方自适应滤波器。如图3b所示，这个想法可以通过采用高速环形振荡器，然后是两相量化器来实现。每个相位量化器测量环形振荡器在其输入时钟的每个周期期间行进的相位。因此，两个量化器的输出之间的比率是无单位数，包含在适当滤波之后可以用目标分辨率提取的频率比信息。环的振荡频率越高，时间-数字转换器实现的分辨率越高，从而导致更好的频率比估计。

尽管这种拓扑结构工作正常，但它受到自由运行的环形振荡器的所有缺点的影响，例如长时间的频率漂移。如图3c所示，为了克服上述问题，将自由运行的环形振荡器置于锁相环内以将其相位锁定到ClkTF。因此，ClkTS只需要一个相位量化器，因为ClkTF已经锁相到环形振荡器。在该方案中，相位量化器测量在每个ClkTS周期期间环形振荡器行进的相位，从中可以在适当的滤波之后估计频率比。通过将环形振荡器锁定到输入时钟的缩放频率比，可以进一步改善这种可行架构的性能。如图3d所示，这种拓扑形成了一个带有ClkTS参考的新PLL，其中另一个PLL嵌套在其内部，充当外部弯针的数控振荡器（DCO）。为了使这个想法起作用，环形振荡器必须放在小数N分频PLL内，因为频率比是非整数。这种拓扑结构是本文中使用的频率比引擎的核心思想，使我们能够在短转换时间内以高分辨率测量温度。这种架构的主要优点是它可以提取两个输入时钟边缘的所有可用温度信息，事实上，它可以同时满足目标分辨率和速度规范。