CN101828332A - 具有可变增益和可变输出阻抗反相器系统的晶体振荡器 - Google Patents

Abstract

一种具有可变增益和可变输出阻抗反相器系统的晶体振荡器，包括：反相器；可变阻抗反馈电路，其连接在反相器的输出和输入之间；晶体振荡器系统，其具有第一和第二电极连接至反相器输入和输出的晶体；串联可变阻抗电路，连接在反相器输出和晶体的一个电极之间；以及控制电路，用于在起振模式期间相对于稳态模式阻抗临时增加反馈电路的阻抗并降低串联电路的阻抗，然后，使反馈阻抗恢复到较低阻抗水平，使串联电路恢复到较高阻抗水平，这有助于振荡器在正常稳态工作模式时的高频率稳定性。

Description

具有可变增益和可变输出阻抗反相器系统的晶体振荡器

技术领域

本发明涉及具有可变增益和可变输出阻抗反相器系统的改进的振荡器，该振荡器既提供高可靠性的起振又提供稳态工作期间的高频率稳定性。

背景技术

现代微控制器和处理器通常包括反相-放大器，当将其连接到外置晶体和一些其他元件时，该反相-放大器适于作为反馈振荡器的一部分。典型的晶体振荡器系统包括反相放大器和两个附加的电阻Rf和Rs。反馈电阻Rf连接在反相器/放大器的输入和输出之间，提供适当的直流偏置和负反馈。串联限幅电阻Rs从反相-放大器的输出连接到晶体的一个管脚，保证晶体振荡器系统的合适的输出阻抗和功率。晶体振荡器系统的其他元件为将晶体电极连接到地(GND)的电容器CL1和CL2。根据晶体的所需用途由制造商的使用说明确定CL1和CL2的值。用于获得规定的晶体振荡器特性的元件选择是受限的。基本上受限于Rf和Rs值的选择。在晶体和反相器/放大器的规定的工作电压、温度和参数变化的范围内期望的晶体振荡器系统特性是频率稳定的。晶体振荡器系统的另一个重要特性为在电源电压供电时可以快速起振的能力。晶体振荡器系统的另一个重要特性为和规定的晶体功率耗散相适配的驱动电平。通常，针对所规定的长期和短期晶体稳定性，晶体制造商给出的晶体工作电压驱动电平为毫瓦级。晶体的驱动电平直接影响晶体振荡器系统的稳定性：频率稳定的晶体振荡器系统的驱动电压电平不应大于规定的驱动电压电平。遗憾的是，很难以选择Rf和Rs的值以满足所有主要晶体振荡器特性：要获得更好的频率稳定性，需要Rf的值较小而Rs的值较大；要获得可靠的振荡起振，需要Rf的值较大而Rs的值较小。这迫使人们在Rf和Rs的值之间作出折中，以同时部分满足晶体振荡器的频率稳定性和可靠起振这两者，这使晶体振荡器并非工作在最优状态。对于所谓的“低功率”晶体振荡器系统，这一问题更为糟糕，这种“低功率”晶体振荡器系统具有很小的尺寸，且和所谓“高功率”晶体振荡器系统相比，其价格相对低。现有的大部分处理器已经被设计成用于高功率晶体，这使得难以在这些处理器中使用“低功率”晶体。

发明内容

因而，本发明的一个目的是提供改进的晶体振荡器，这种晶体振荡器既可以提供非常可靠的起振又可以提供在晶体稳态工作期间的高频率稳定性。

本发明的另一个目的是提供具有可变增益和可变输出阻抗反相器的这种改进晶体振荡器。

本发明的另一个目的是提供具有可变增益和可变输出阻抗反相器系统的这种改进晶体振荡器，这种晶体振荡器优化在起振模式和稳态模式这两者中的工作。

本发明的另一个目的是提供具有可变增益和可变输出阻抗反相器系统的这种改进晶体振荡器，这种晶体振荡器在稳态工作模式提供低反馈阻抗和高串联阻抗，并在起振模式期间临时提供高反馈阻抗和低串联阻抗。

本发明是基于以下认识得到的：既提供非常可靠的起振又提供稳态工作期间高频率稳定性的改进晶体振荡器可以通过如下方式实现：使用控制电路在起振模式期间临时增加反馈电路的阻抗并降低串联电路阻抗以提供快速起振，然后，使反馈阻抗恢复到较低的阻抗水平并使串联电路恢复到较高的阻抗水平，这有助于振荡器在正常的稳态工作模式时实现高频率稳定性。

然而，在其他实施例中，本发明不需实现所有这些目的，且本申请的权利要求不应局限于能够实现这些目的的结构和方法。

本发明的特征在于一种具有可变增益和可变输出阻抗反相器系统的晶体振荡器。该系统包括反相器以及连接在反相器的输出和输入之间的可变阻抗反馈电路。晶体振荡器系统包括晶体，该晶体的第一和第二电极连接至反相器的输入和输出。串联可变阻抗电路连接在反相器输出和晶体的一个电极之间。控制电路在起振模式期间相对于稳态模式阻抗临时增加反馈电路的阻抗并降低串联电路的阻抗。

优选实施例中，阻抗可以是电阻。反馈阻抗电路可包括串联的第一和第二电阻以及旁路所述电阻之一的第一开关。串联阻抗电路可包括至少一个第三电阻以及旁路该第三电阻的第二开关。可以包括和该第三电阻串联的第四电阻。第一和第二电阻可相等，第三和第四电阻可相等。晶体系统可包括从各个晶体电极连接到地的负载电容器。控制电路可包括比较器，其在起振模式期间响应于晶体振荡器电压临时增加反馈电路的阻抗并降低串联电路的阻抗，直到晶体振荡器电压达到预定参考电平。该参考电平可约为稳态模式晶体振荡器电压的一半或更大。控制电路可包括定时器，用于在起振模式期间在约为500个晶体振荡器频率周期的时间段内临时增加反馈电路阻抗并降低串联电路阻抗。控制电路可包括比较器，用于在起振模式期间响应于晶体振荡器电压临时操控所述开关，直到晶体振荡器电压达到预定参考电平。控制电路可包括定时器，用于在起振模式期间在约500个晶体振荡器频率周期内临时操控所述开关。

附图说明

根据下面对优选实施例的描述和附图，本领域技术人员可以理解本发明的其他目的、特征和优势，其中：

图1是现有技术中晶体振荡器反相器系统的示意图；

图2是根据本发明的具有可变增益和可变输出阻抗反相器系统的晶体振荡器的示意图；

图3是用电阻和开关实现的根据本发明的具有可变增益和可变输出阻抗反相器系统的晶体振荡器的示意图。

具体实施方式

除下文所述的优选实施例或实施例以外，本发明还可以有其他实施例，并可用各种方式实现或完成。因而，应该理解，本发明在其应用中不限于以下说明书所描述的或附图所示出的结构细节和元件布局。如果本文仅描述了一个实施例，则本申请中的权利要求并不限于该实施例。此外，除非有明确可信的证据表明某种排除、限制或放弃权利声明，否则不应该限制性地解读本申请中的权利要求。

图1示出现有技术中的晶体振荡器10，其包括反相放大器12，反馈电阻器14(Rf)连接在反相器12的输出16和输入18之间。晶体系统20包括晶体22，其电极24连接到反相器12的输入18，其电极26通过串联电阻28(Rs)连接到输出16。晶体系统20还包括负载电容器30和32，负载电容器构成晶体22的储能电路。电容器30和32的值由晶体制造商根据所需的晶体22的用途来规定。电阻器14为反相器12提供直流偏置，并为反相器12提供本地负反馈：这确定放大器增益以及反相器对电源电压及其他环境条件改变的容限。串联电阻28用于稳定反相放大器12的输出电压，并用于控制晶体驱动电平，该晶体驱动电平为通过放大器向晶体系统20提供的交流能量的量。通过最小化所需驱动电压电平和使晶体系统20和反相放大器12之间的耦合最小可提供稳态工作模式下的良好的频率稳定性。这进而需要相对较小的反馈电阻14的值和相对较大的串联电阻28的值。这些条件提供长期可靠性和低功耗，使用所谓的“低功率”小型石英晶体时这尤其重要。相反，振荡器10的可靠起振需要相对较大的反馈电阻14的值和相对较小的电阻28的值。因而，对于晶体振荡器10的不同工作模式而言，电阻14和28的最优值是相反的。不同工作模式也就是稳态模式和起振模式。这使得设计时需要在反馈电阻Rf 14和串联电阻Rs 28的值之间进行折中，以至少部分满足稳定性和可靠起振这二者的要求，但不优化这二者中任何一个。

根据本发明的图2的晶体振荡器10a包括具有可变阻抗的反馈电路14a和包括可变阻抗的串联电路28a。此外，还有控制电路40，其可以包括定时器42或比较器44。控制电路40操控反馈电路14a和串联电路28a，以便在正常的稳态工作模式下，保持反馈阻抗电路14a为低阻抗，并保持串联阻抗电路28a为高阻抗；但是在起振模式期间，相对于稳态模式阻抗，临时增加反馈电路阻抗并降低串联电路阻抗，以保证快速可靠起振，然后，使反馈阻抗恢复到低阻抗水平，并使串联电路恢复到较高阻抗水平，这有助于振荡器在正常稳态工作模式下的高频率稳定性。控制电路40可以使用定时器42或比较器44来实现这一点。例如，比较器44将晶体系统22a的电压Vosc与参考电压进行比较，该参考电压通常约为稳态模式下振荡器两端电压的一半。Vosc达到参考电平时，比较器44临时改变反馈电路14a和串联电路28a中的阻抗。或者，可将定时器42用于此目的。定时器42可以相同方式在大约500个晶体振荡器基础频率周期的时间段内临时调整阻抗。应该理解，在大约1000个基础频率工作周期后，起振近乎完成，因而，在500个周期时正处于起振模式，由于从此时起起振可正常继续，因而不再需要继续执行起振模式来推动。

一个实施例中，根据本发明的图3的晶体振荡器10b可以具有可变阻抗反馈电路14b和可变串联阻抗28b(Rs1)，可变阻抗反馈电路14b包括两个电阻14bb(Rf1)和14bbb(Rf2)，用开关50旁路电阻14bbb；可变串联阻抗28b可包括单个电阻28bb和旁路开关52，从而旁路开关52闭合时，这条线路上没有电阻。或者，还可以有第二电阻(Rs2)28bbb，从而即使旁路开关52闭合，还有电阻28bbb。典型但是非限定性的，电阻14bb可以是1MΩ。同样，在不限制本发明的情况下，电阻14bbb的值可以和1MΩ不同或相同。类似地，对于串联可变阻抗电路28b，电阻28bb可以是例如1kΩ，如果有第二电阻28bbb的话，其值可以不同于1kΩ或为1kΩ。典型地，取决于频率和其他参数，电容器30b和32b可以在10和30pf之间。电源电压Vcc可以是3.3伏特。典型地，在稳态模式中输出16b为电源电压的约90％即2.97伏特，这样，振荡器电压为电源电压的约70％即2.3伏特。这样，比较器44b的参考电压大概为振荡器电压的一半，即2.3伏特/2＝1.15伏特。

工作于稳态模式时，开关50闭合，开关52断开。电阻14bb对应于低放大器增益和高带宽，并具有低线性失真和对电源电压改变和温度改变的高抗扰性，这一切都有益于提供高频率稳定性。串联阻抗电路28b的阻抗等于电阻28b加上电阻28bb的电阻，这对应于晶体的低驱动电平，有助于进一步提供高频率稳定性。相反，在起振模式，开关50断开，开关52闭合。现在反馈阻抗电路的阻抗为电阻14bb加上14bbb，这对应于高放大器增益，且虽然有多个不同的晶体参数，这还是有助于提供可靠的振荡器起振。如果串联阻抗电路实际有电阻的话，串联阻抗电路的阻抗现在仅为电阻28bbb，否则该阻抗是零或接近零。零值或者电阻28bbb的值(如为1kΩ)对应于晶体的高驱动电平，有助于提供更好的起振条件。

虽然一些附图中示出本发明的特定特征而其他附图中未示出这些特征，但这仅为方便之故，因为根据本发明每个特征可以和任一特征或全部其他特征相结合。这里使用的“包括”、“包含”、“具有”和“有”等词在此应广义全面地解释而不限于任何物理连接。此外，本申请公开的任何实施例不应作为唯一可能的实施例。

此外，在本专利申请审查过程中所提供的任何修改不作为对本申请提交时提供的任何权利要求项的放弃声明：不能合理地期望本领域技术人员撰写的权利要求会从字面上包括所有可能的等价特征，很多等价特征是修改时无法预见的并且超出了对将放弃的权利(如果有的话)的合理解释，关于修改的解释可能仅仅肤浅地涉及许多等价特征，而且/或者申请人因为许多其它原因不能描述任何修改的权利要求要素的某些非实质性替代。

本领域技术人员可以想到其他实施例，这些实施例包括在下述权利要求范围内。

Claims (12)

1.一种具有可变增益和可变输出阻抗反相器系统的晶体振荡器，包括：

反相器；

可变阻抗反馈电路，其连接在所述反相器的输出电路和输入之间；

晶体系统，其具有晶体，所述晶体的第一和第二电极连接至所述反相器输入和输出；

串联可变阻抗电路，其连接在所述反相器输出和所述晶体的一个电极之间；以及

控制电路，用于在起振模式期间相对于稳态模式阻抗临时增加所述反馈电路的阻抗并降低所述串联电路的阻抗。

2.根据权利要求1所述的晶体振荡器，其中所述阻抗为电阻。

3.根据权利要求2所述的晶体振荡器，其中所述反馈阻抗电路包括串联的第一和第二电阻以及旁路所述电阻之一的第一开关。

4.根据权利要求3所述的晶体振荡器，其中所述串联阻抗电路包括至少一个第三电阻和旁路所述第三电阻的第二开关。

5.根据权利要求4所述的晶体振荡器，其中所述串联阻抗电路包括和所述第三电阻串联的第四电阻。

6.根据权利要求5所述的晶体振荡器，其中所述第一和第二电阻相等，所述串联的第三和第四电阻相等。

7.根据权利要求1所述的晶体振荡器，其中所述晶体系统包括从各个所述电极连接到地的负载电容器。

8.根据权利要求1所述的晶体振荡器，其中所述控制电路包括比较器，其在起振模式期间响应于晶体振荡器电压临时增加所述反馈电路的阻抗并降低所述串联电路的阻抗，直到所述晶体振荡器电压达到预定参考电平。

9.根据权利要求8所述的晶体振荡器，其中所述参考电平约为所述稳态模式晶体振荡器电压的一半或更大。

10.根据权利要求1所述的晶体振荡器，其中所述控制电路包括定时器，用于在起振模式期间在约500个晶体振荡器频率周期的时间段内临时增加所述反馈电路的阻抗并降低所述串联电路的阻抗。

11.根据权利要求4所述的晶体振荡器，其中所述控制电路包括比较器，其用于在起振模式期间响应于晶体振荡器电压临时操控所述开关，直到所述晶体振荡器电压达到预定参考电平。

12.根据权利要求4所述的晶体振荡器，其中所述控制电路包括定时器，其用于在起振模式期间在约500个晶体振荡器频率周期内临时操控所述开关。

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