CN102118131B - 缩短晶体振荡器的启动时间的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种缩短晶体振荡器的启动时间的方法。一种振荡器电路，包括：放大器，其包括至少两个用于接收晶体的端子；以及自动振幅控制环路，其耦合到放大器，并包括在第一运行模式和第二运行模式之间切换的偏置电路。第一运行模式在初始时间段发生，第二运行模式在初始时间段结束之后发生。偏置电路包括第一和第二PMOS晶体管电路，每个晶体管电路包括非切换式PMOS晶体管和切换式PMOS晶体管。可选择地，偏置电路可以包括第一和第二NMOS晶体管电路，每个晶体管电路包括非切换式NMOS晶体管和切换式NMOS晶体管。偏置电路处于内部产生的控制信号的控制之下。

Description

缩短晶体振荡器的启动时间的方法
技术领域
本发明涉及晶体振荡器，更具体地涉及用于减少振荡器启动时间的方法。
背景技术
目前，32,768Hz时钟信号用于大多数使用晶体振荡器的便携应用中。这些应用需要具有高相位噪声性能和低启动时间的晶体振荡器电路。
传统的皮尔斯(pierce)晶体振荡器一般使用自动振幅控制环路(AAC)以使振幅随工艺和温度保持常数。然而，控制环路总是开启(ON)，在时钟边沿周围引入噪声。这意味着AAC噪声主导着皮尔斯晶体振荡器的相位噪声。为了增加相位噪声性能，典型的设计经常将偏置晶体管的跨导设置为大于放大器的尾电流，以减小来自偏置电路的噪声影响。然而，这会减小AAC的开环增益，其导致较长的启动时间。
需要一种减少晶体振荡器启动时间同时维持良好相位噪声性能的电路和方法。
发明内容
根据本发明，提供了一种缩短晶体振荡器的启动时间同时保持与现有电路获得的相位噪声性能相同的电路和方法。在本发明的方法和电路中，内部控制信号用于控制偏置电路。
为了缩短振荡器启动时间，在振荡器开始振荡时，AAC(自动振幅控制)的开环增益需要增加。但是，为了保持相位噪声性能，应当使偏置晶体管的跨导(gm)从小到大地大于晶体管尾电流，这会缩短启动时间并保持相位噪声性能可接受。
在本发明中，内部电路产生的控制信号用于缩短启动时间。在第一步骤，振荡器以快的速度和低相位噪声状态启动。在第二步骤，控制信号变化，振荡器通过消耗更多一点的振荡时间来达到高相位噪声状态。内部控制电路消耗很低的静态电流。本发明的方法缩短了大约20％的启动时间，同时保持了可接受的相位噪声性能。
本发明的晶体振荡器具有快速的启动、稳定的相位噪声性能，并使用内部生成的控制信号。
附图说明
图1为根据本发明的第一实施例的振荡器电路的原理图；
图2为根据本发明的第二实施例的振荡器电路的原理图；
图3为内部时钟模块的原理图，该内部时钟模块包括用于接收正弦时钟信号并产生方波时钟信号的比较器；以及
图4为根据本发明的产生控制信号的控制子模块的原理图。
具体实施方式
现在参考图1，根据本发明的振荡器电路100的第一实施例包括放大器、AAC环路、启动电路102、包括控制信号模块的内部时钟模块104以及受控开关和晶体管。皮尔斯晶体振荡器电路100还包括晶体(X1，其一般为外部元件)、负载电容(耦合到晶体管MN3的漏极的C2和耦合到晶体管MN3的栅极的C3)和跨接晶体的偏置电阻(Rbias)。
放大器包括晶体管MN3和MP3。AAC环路包括晶体管MN1、MN2、MP1(和MP1A)、MP2(和MP2A)、R0、C0、R1和C1。电容C0为隔直电容，其耦合来自晶体管MN3的漏极的振荡信号。电阻R1和电容C1的组合为低通滤波器。自偏置电路由晶体管MN1、MN2、MP1、MP2和电阻R0形成。偏置晶体管通过开关分为两部分。晶体管MP1和MP1A通过开关SW1分开。晶体管MP2和MP2A通过开关SW2分开。信号Vpbias是指晶体管MP1、MP2和MP3的栅极处的偏置电压。晶体管MP1、MP1A、MP2、MP2A和MP3的源极都耦合到电源电压源Vdd。晶体管MN1、MN2和MN3的源极都耦合到地。晶体管MN1的源极通过电阻R0耦合到地，而晶体管MN2和MN3的源极直接耦合到地。
当振荡器100开始振荡时，通过电容C0耦合的信号进入AAC环路。如果信号的振幅变大，则控制晶体管MP3的栅极的AAC环路将减小晶体管MP3的电流，从而减小振荡信号In1的振幅。如果信号的振幅变小，则控制晶体管MP3的栅极的AAC环路将增加MP3的电流，从而增加振荡信号In1的振幅。
启动电路102为传统设计，在电路电源打开时，其为振荡器100提供启动电流。启动电路102对偏置电路起到重要的作用。启动电路102将偏置电路从不带电(零电流)工作点带到其正常工作点，然后一旦偏置电路开始正常运行就不再使用。
内部32768Hz时钟信号通过内部时钟模块104使用来自晶体管MN3的漏极或晶体管MN2的栅极或两者的输入信号In1和In2产生。控制信号(“控制信号输出”)通过控制子模块产生。
图3示出了内部时钟模块300，其包括传统的将正弦时钟信号转换为方波信号的比较器。图4示出了数字子模块400，其提供时钟准备信号。时钟准备信号控制开关SW1和SW2。
现在参考图3，内部时钟300包括传统的比较器，其包括用于接收输入差分信号Vinp/Vinn的差分输入对MP11和MP12。两个电容接法的晶体管MN11和MN12提供用于产生由晶体管MN2和MN3接收的差分输出信号的负载。晶体管MN3产生通过输出晶体管MP4和MN4缓冲的输出信号，以产生Vout输出信号。偏置电流Ibias用于供给偏置电路，该偏置电路包括耦合到偏置晶体管MP1、MP2和MP3的二极管接法的晶体管MP0。
现在参考图4，示出了数字子模块400的原理图，其包括多个串联连接的D型触发器，其中前级的Q输出连接到下一级的D输入。CK时钟输入全部耦合在一起，用于接收ClkIn输入信号。根据本发明，第一级的D输入耦合到电源电压，最后一级的Q输出提供Vout输出信号，用于产生控制信号。
当控制信号为逻辑0时，开关SW1和SW2处于关闭状态。在该第一运行模式中，并行晶体管(MP1A和MP2A)不连接到AAC环路，环路增益相对较大，其导致快速振荡。当控制信号为逻辑1时，开关SW1和SW2处于开启状态。在该第二运行模式中，并行晶体管MP1A和MP2A连接到AAC环路。因为宽度(和/或跨导)变大，所以这减小了来自偏置晶体管的噪声。这意味着晶体振荡器100重新获得了可接受的相位噪声性能，其等同于通过具有组合的晶体管MP1/MP1A和MP2/MP2A的电路提供的相位噪声性能。因此，通过将偏置晶体管分为两部分并控制两部分的状态，振荡器启动时间可以缩短，同时保持可接受的相位噪声性能。
现在参考图2，根据本发明的振荡器电路200的第二实施例包括放大器、AAC环路、启动电路202、包括控制信号模块的内部时钟模块204以及受控开关和晶体管。皮尔斯晶体振荡器电路200还包括晶体(X1，其一般为外部元件)、负载电容(耦合到晶体管MP3的漏极的C2和耦合到晶体管MP3的栅极的C3)以及跨接晶体的偏置电阻(Rbias)。
放大器包括晶体管MN3和MP3。AAC环路包括晶体管MN1(和MN1A)、MN2(和MN2A)、MP1、MP2、R0、C0、R1和C1。电容C0为隔直电容，其耦合来自晶体管MN3的漏极的振荡信号。电阻R1和电容C1的组合为低通滤波器。自偏置电路由晶体管MN1、MN2、MP1、MP2和电阻R0形成。偏置晶体管通过开关分为两部分。晶体管MN1和MN1A通过开关SW1分开。晶体管MN2和MN2A通过开关SW2分开。信号Vnbias是指晶体管MN1、MN2和MN3的栅极处的偏置电压。晶体管MN1、MN1A、MN2、MN2A和MN3的源极都耦合到地。晶体管MP1、MP2和MP3的源极都耦合到电源电压源Vdd。晶体管MP1的源极通过电阻R0耦合到Vdd，而晶体管MP2和MP3的源极直接耦合到Vdd。
当振荡器200开始振荡时，通过电容C0耦合的信号进入AAC环路。如果信号的振幅变大，则控制晶体管MP3的栅极的AAC环路将减小晶体管MP3的电流，从而减小振荡信号In1的振幅。如果信号的振幅变小，则控制晶体管MP3的栅极的AAC环路将增加MP3的电流，从而增加振荡信号In1的振幅。
启动电路202为传统设计，当电路电源开启时其为振荡器200提供启动电流。启动电路202对偏置电路起到重要作用。启动电路202将偏置电路从不带电(零电流)工作点带到其正常工作点，然后一旦偏置电路开始正常工作就不再使用。
内部32768Hz时钟信号通过内部时钟模块204使用来自晶体管MP3的栅极或晶体管MN3的漏极或两者的输入信号In1和In2产生。控制信号(“控制信号输出”)通过控制子模块产生。前面已经参考图3和图4对模块204和控制子模块的电路进行了描述。
当控制信号为逻辑0时，开关SW1和SW2处于关闭状态。在该第一运行模式，并行晶体管(MN1A和MN2A)不连接到AAC环路，环路增益相对较大，其导致快速振荡。当控制信号为逻辑1时，开关SW1和SW2处于开启状态。在该第二运行模式，并行晶体管MN1A和MN2A连接到AAC环路。因为宽度(和/或跨导)变大，所以这减小了来自偏置晶体管的噪声。这意味着晶体振荡器100重新获得了可接受的相位噪声性能，其等同于由具有组合晶体管MN1/MN1A和MN2/MN2A的电路提供的相位噪声性能。因此，通过将偏置晶体管分为两部分并控制两部分的状态，振荡器启动时间可以缩短，同时保持可接受的相位噪声性能。
在本发明的第三实施例中，如本领域所公知的，图1示出的电路可以“翻转”，其中，PMOS和NMOS晶体管互换，信号的极性变化，电源和地的线路交换。
在本发明的第四实施例中，如本领域所公知的，图2示出的电路也可以“翻转”，其中，PMOS和NMOS晶体管互换，信号的极性变化，电源和地的线路交换。
在振荡器可以如所期望的用于提供具有快速启动时间和可接受相位噪声性能的振荡器电路的同时，特定的应用可以在例如HDMI应用中的PLL电路中实现。
在本发明的优选的实施例中已经描述并示出了本发明的原理，本领域技术人员可以理解，在不脱离该原理的情况下，可以对本发明进行配置和细节上的改进。虽然已经示出了优选的方法和实施例，但是本发明的优选方法的准确细节可以根据特定应用的需要进行必要的变化。因此我们要求所有改进和变化包括在以下权利要求的精神和范围之内。

Claims (18)

1.一种振荡器电路，包括：
放大器，其包括至少两个用于接收晶体的端子；以及
自动振幅控制环路，其耦合到所述放大器，并且包括在第一运行模式和第二运行模式之间切换的偏置电路；
所述偏置电路包括第一和第二PMOS晶体管电路，每个晶体管电路包括非切换式PMOS晶体管和切换式PMOS晶体管；或者
所述偏置电路包括第一和第二NMOS晶体管电路，每个晶体管电路包括非切换式NMOS晶体管和切换式NMOS晶体管；
其中在所述第一运行模式中，并行的切换式晶体管不连接到所述自动增幅控制环路，以及在所述第二运行模式中，并行的切换式晶体管连接到所述自动增幅控制环路。
2.根据权利要求1所述的振荡器电路，其中所述第一运行模式在初始时间段中发生，所述第二运行模式在所述初始时间段结束之后发生。
3.一种振荡器，包括：
第一、第二和第三PMOS晶体管，其具有公共栅极连接；第一切换晶体管，其耦合到所述第一PMOS晶体管；
第二切换晶体管，其耦合到所述第二PMOS晶体管；以及
第一、第二和第三NMOS晶体管，其耦合到所述第一、第二和第三PMOS晶体管；
其中所述第三NMOS晶体管具有两个用于接收外部晶体的端子；
其中所述第一和第二PMOS晶体管、所述第一和第二NMOS晶体管、电阻R0、电容C0、电阻R1和电容C1构成自动振幅控制环路的一部分；
其中所述第一和第二切换晶体管在第一运行模式和第二运行模式之间切换；
其中在所述第一运行模式中，所述第一和第二切换晶体管不连接到所述自动增幅控制环路，以及在所述第二运行模式中，所述第一和第二切换晶体管连接到所述自动增幅控制环路。
4.根据权利要求3所述的振荡器，其中所述第一切换晶体管包括具有耦合到开关的栅极的PMOS晶体管。
5.根据权利要求3所述的振荡器，其中所述第二切换晶体管包括具有耦合到开关的栅极的PMOS晶体管。
6.根据权利要求3所述的振荡器，其中所述第一、第二和第三PMOS晶体管均包括耦合到电源电压的源极。
7.根据权利要求3所述的振荡器，其中所述第一、第二和第三NMOS晶体管均包括耦合到地的源极。
8.根据权利要求3所述的振荡器，其中所述第一和第二NMOS晶体管通过低通滤波器耦合在一起。
9.根据权利要求3所述的振荡器，其中所述第二和第三NMOS晶体管通过电容耦合在一起。
10.根据权利要求3所述的振荡器，还包括控制电路，其用于向所述第一和第二切换晶体管提供切换控制电路。
11.一种振荡器，包括：
第一、第二和第三PMOS晶体管；
第一、第二和第三NMOS晶体管，其具有耦合到所述第一、第二和第三PMOS晶体管的公共栅极连接；
第一切换晶体管，其耦合到所述第一NMOS晶体管；以及
第二切换晶体管，其耦合到所述第二NMOS晶体管，
其中所述第三PMOS晶体管具有两个用于接收外部晶体的端子；
其中所述第一和第二PMOS晶体管、所述第一和第二NMOS晶体管、电阻R0、电容C0、电阻R1和电容C1构成自动振幅控制环路的一部分；
其中所述第一和第二切换晶体管在第一运行模式和第二运行模式之间切换；
其中在所述第一运行模式中，所述第一和第二切换晶体管不连接到所述自动增幅控制环路，以及在所述第二运行模式中，所述第一和第二切换晶体管连接到所述自动增幅控制环路。
12.根据权利要求11所述的振荡器，其中所述第一切换晶体管包括具有耦合到开关的栅极的NMOS晶体管。
13.根据权利要求11所述的振荡器，其中所述第二切换晶体管包括具有耦合到开关的栅极的NMOS晶体管。
14.根据权利要求11所述的振荡器，其中所述第一、第二和第三PMOS晶体管均包括耦合到电源电压的源极。
15.根据权利要求11所述的振荡器，其中所述第一、第二和第三NMOS晶体管均包括耦合到地的源极。
16.根据权利要求11所述的振荡器，其中所述第一和第二PMOS晶体管通过低通滤波器耦合在一起。
17.根据权利要求11所述的振荡器，其中所述第二和第三PMOS晶体管通过电容耦合在一起。
18.根据权利要求11所述的振荡器，还包括控制电路，其用于向所述第一和第二切换晶体管提供切换控制电路。
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