CN102710217B - 振荡器及其控制电路 - Google Patents

Abstract

一种振荡器及其控制电路。控制电路用以调整振荡器的一振荡信号的振幅与位准。控制电路包括一峰值检测器、一中间值检测器、及一振荡控制器。峰值检测器用以检测振荡信号的振幅而产生一峰值。中间值检测器用以检测振荡信号的直流位准而产生一中间值。振荡控制器用以根据峰值及中间值产生两电源信号。两电源信号用以提供至振荡器以使振荡器调整振荡信号的振幅及直流位准。

Description

振荡器及其控制电路

【技术领域】

本发明是有关于一种振荡器及其控制电路，且特别是有关于一种晶体振荡器及其控制电路。

【背景技术】

振荡器广泛地运用在各种应用领域中，用来提供系统准确且稳定的频率基准，如时钟信号。简言的，振荡器是一个频率源，一个不需要外部信号激励、自身就可以将直流电能转化为交流电能的电子装置。信号起振的过程中，振荡器通过重复的反馈、放大而产生振荡信号。因此，振荡器的效能取决于其是否能产生准确、稳定的振荡信号。

一般来说，振荡信号的频率是设计振荡器的首要考虑。然而，振幅亦是一项影响振荡器效能的重要因素。举例来说，对于使用反馈电阻与反相放大器的振荡器而言，反相放大器的特性不容易控制。于此种振荡器中，会造成振荡信号的波形可能变得很大或很小，导致振荡信号无法稳定地受到控制。而且，依据各种振荡器的电路设计的不同，所提供的振荡信号也会有所差异。

除了反相放大器的特性难以控制之外，振荡器所使用的电流也不容易调控。基于省电的考虑，振荡器的电源通常会调得很小。此时，在某些如环境恶劣、噪声干扰的情况下，振荡器会有无法起振的问题。因此，如何产生准确、稳定的振荡信号，藉以提高振荡器的效能，乃业界所致力的方向之一。

【发明内容】

本发明有关于一种振荡器及其控制电路，能产生准确、稳定的振荡信号，增加振荡器的抗噪声能力，并提高振荡器的效能。

根据本发明的一方面，提出一种振荡器。振荡器用以调整一振荡信号的振幅与位准。振荡器包括两端点、一晶体、一反馈电阻、一放大器、一峰值检测器、一中间值检测器、及一振荡控制器。两端点各用以耦接至一电容器。晶体、反馈电阻、及放大器皆耦接于两端点的间。峰值检测器耦接至两端点的其中一端点，用以检测振荡信号的振幅而产生一峰值。中间值检测器耦接至该端点，用以检测振荡信号的直流位准而产生一中间值。振荡控制器用以根据峰值及中间值产生两电源信号。两电源信号用以提供至放大器以使放大器调整振荡信号的振幅及直流位准。

根据本发明的另一方面，提出一种控制电路。控制电路适用于一振荡器。控制电路用以调整振荡器的一振荡信号的振幅与位准。控制电路包括一峰值检测器、一中间值检测器、及一振荡控制器。峰值检测器用以检测振荡信号的振幅而产生一峰值。中间值检测器用以检测振荡信号的直流位准而产生一中间值。振荡控制器用以根据峰值及中间值产生两电源信号。两电源信号用以提供至振荡器以使振荡器调整振荡信号的振幅及直流位准。

为了对本发明的上述及其它方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

【附图说明】

图1绘示依据本发明一实施例的控制电路的方块图。

图2绘示依据本发明一实施例的振荡器的方块图。

图3绘示为图2的振荡控制器的一例的示意图。

图4绘示为图3的可变电流源的一实施例的示意图。

图5绘示为图2的振荡器于起振过程中检测振荡信号所取得的峰值及中间值的一例的时序图。

【主要组件符号说明】

110、210：峰值检测器

120、220：中间值检测器

130、230：振荡控制器

200：振荡器

202：晶体

204：反馈电阻

206：放大器

231：可变电流源

232、233：比较器

240：选择控制器

250：设定单元

C1、C2：电容器

CM1、CM2：电流镜

Ia：偏压电流

Isink：流入电流

Isource：流出电流

M：金氧半场效晶体管

n1、n2：端点

n3、n4：电源供应端

S1：振荡信号

Sel：选择信号

Vcontrol：控制信号

VDD、VSS：电压

Vlpf：中间值

Vpk：峰值

Vref：参考值

Vtarget：目标值

Spw1、Spw2：电源信号

SW：开关

T1、T2、T3、T4、T5、T6：晶体管

XIN：输入信号

XOUT：输出信号

【具体实施方式】

请参照图1，其绘示依据本发明一实施例的控制电路的方块图。控制电路100适用于一振荡器(未绘示于图1)。控制电路100用以调整振荡器的一振荡信号S1的振幅与位准。控制电路100包括一峰值检测器110、一中间值检测器120、及一振荡控制器130。峰值检测器110用以检测振荡信号S1的振幅而产生一峰值Vpk。中间值检测器120用以检测振荡信号S1的直流位准而产生一中间值Vlpf。振荡控制器130用以根据峰值Vpk及中间值Vlpf产生两电源信号Spw1及Spw2。此两电源信号Spw1及Spw2用以提供至振荡器以使振荡器调整振荡信号S1的振幅及直流位准。如此，于起振过程中，振荡信号S1的振幅与直流位准便能受到稳定的反馈控制而能维持在适当范围内。如此，便能使振荡器产生准确、稳定的振荡信号，增加振荡器的抗噪声能力，并提高振荡器的效能。

请参照图2，其绘示依据本发明一实施例的振荡器的方块图。振荡器200包括两端点n1及n2、一晶体202、一反馈电阻204、一放大器206、一峰值检测器210、一中间值检测器220、及一振荡控制器230。振荡器200的此些组件中，晶体202、反馈电阻204、及放大器206形成振荡器200的一振荡电路来产生振荡信号S1；峰值检测器210、中间值检测器220、及振荡控制器230则例如与图1所示的控制电路100具有相似的架构。

振荡器200的两端点n1及n2各用以耦接至一电容器，如电容器C1及C2。电容器可为一用来实现振荡器200的芯片所内建或外接者，如虚线所绘示的连接线表示图2中的电容器为外接式的电容器。电容器可为单一电容组件、或由多个电容组件所组成的用来调整振荡器200的共振频率的架构。晶体202耦接于两端点n1及n2的间，晶体202例如是石英共振器。反馈电阻204耦接于两端点n1及n2的间。放大器206耦接于两端点n1及n2的间。放大器206所接收的两电源信号Spw1与Spw2决定了振荡信号S1所能摆荡的范围。

由于晶体202、反馈电阻204、及放大器206所形成振荡电路属于反馈的振荡方式，如放大器206的输出会再馈入晶体202的输入。因此，为了检测此振荡信号S1，峰值检测器210及中间值检测器220可耦接至某个能检测到振荡信号S1的变化的处，例如是振荡器200的两端点n1及n2的其中之一。如图2所示，峰值检测器210及中间值检测器220可耦接至端点n1、或耦接至端点n2(如虚线箭号绘示者)，亦即振荡信号S1可为放大器206的输入信号XIN或输出信号XOUT。

峰值检测器210用以检测振荡信号S1的振幅而产生一峰值Vpk。峰值Vpk代表振荡信号S1的振幅或最大摆幅，其系输入至振荡控制器230以进行反馈控制。举例来说，若峰值Vpk所代表的信号摆幅很小，振荡控制器230会控制放大器206提高其增益，使信号摆幅增大。

中间值检测器220用以检测振荡信号S1的直流位准而产生一中间值Vlpf。中间值检测器220例如是由低通滤波器所实现。中间值Vlpf配合峰值Vpk可用来判断振荡信号S1的上下摆幅是否符合使用需求，不致于过小而易受干扰，或是过大造成波形变形，产生谐波信号。中间值Vlpf的基准例如可设定为工作电压的中间值，或其它工作电压范围内的电压参考值。如此，便能让振荡信号S1的上下摆幅皆有足够或适当的振荡空间，使信号起振过程更加稳定。

振荡控制器230用以根据峰值Vpk及中间值Vlpf产生两电源信号Spw1及Spw2。两电源信号Spw1及Spw2用以提供至放大器206，以使放大器206调整振荡信号S1的振幅及直流位准。于一实施例中，电源信号Spw1及Spw2例如但不受限地是两电流信号。兹以图3所示的例详细说明振荡控制器的作动方式。

请参照图3，其绘示为图2的振荡控制器的一例的示意图。于此例中，振荡控制器230包括两电源供应端n3及n4、可变电流源231、比较器232、及比较器233。振荡控制器230偏压于两电压VDD及VSS的间。两电源供应端n3及n4耦接至放大器206。可变电流源231用以提供一偏压电流Ia。此偏压电流Ia的大小随着峰值Vpk而变化。于此例中，偏压电流Ia的大小系由比较器233所控制。比较器233耦接至可变电流源231。比较器233用以比较峰值Vpk与一目标值Vtarget，并依据其比较结果产生一控制信号Vcontrol来控制可变电流源231所提供的偏压电流Ia的大小。换言的，可变电流源231可实现为一电压电流转换器。于此架构下，当振荡信号S1的峰值Vpk尚未达到目标值Vtarget时，偏压电流Ia会具有较大的电流值而流入放大器206以提高其增益，以确保振荡信号S1能正确起振。当振荡信号S1的峰值Vpk逐渐变大时，偏压电流Ia的电流值便会逐渐降低。

兹以图4为例说明可变电流源231的一种实施方式。请参照图4，其绘示为图3的可变电流源的一实施例的示意图。可变电流源231包含了多个金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)M及多个开关SW。每一晶体管与开关的组合提供了一部分的偏压电流Ia。此些晶体管M的控制端受控于控制信号Vcontrol。控制信号Vcontrol的位准愈高，晶体管M导通的电流愈大。此外，开关SW的导通数量受控于选择信号Sel，从而决定了偏压电流Ia的大小。如此，能提高振荡器200的操作弹性。

请继续参照图3。比较器232耦接可变电流源231至振荡控制器230的两电源供应端n3及n4。比较器232用以比较中间值Vlpf与一参考值Vref。于图3所示的例中，比较器包括电流镜CM1、电流镜CM2、晶体管T1及晶体管T2。电流镜CM1耦接至电源供应端n3。电流镜CM2耦接至电源供应端n4。电流镜CM1例如是由晶体管T3及T4所形成，而电流镜CM2例如是由晶体管T5、T6、T7、T8所形成。晶体管T1具有一数据端耦接至电流镜CM1、另一资料端耦接至可变电流源231、及一控制端耦接以接收参考值Vref。晶体管T2具有一数据端耦接至电流镜CM2、另一资料端耦接至可变电流源231与晶体管T1的另一数据端、及一控制端耦接以接收中间值Vlpf。

偏压电流Ia流经比较器232后，会形成与比较器232的比较结果相关之一流出(source)电流Isource及一流入(sink)电流Isink。举例来说，依据图3中的晶体管T1及T2的操作特性，若参考值Vref大于中间值Vlpf，则晶体管T1从偏压电流Ia所汲取的电流I1会大于晶体管T2所汲取的电流I2。经过电流镜CM1及CM2后，两电流I1及I2的大小会反应在流入电流Isink及流出电流Isource上，即流入电流Isink会大于流出电流Isource，而与比较结果符合。此流入电流Isink与流出电流Isource会流经两电源供应端n3及n4，而供应至放大器206。由于较大的流入电流Isink会使放大器206提高振荡信号S1的中间位准，故中间值Vlpf亦会对应地提高。如此，参考值Vref与中间值Vlpf的差值会减少而趋于相等。对应地，若参考值Vref小于中间值Vlpf，则电流I1小于电流I2，流入电流Isink小于流出电流Isource，而放大器206降低振荡信号S1的中间位准，使中间使Vlpf降低。如此，中间值Vlpf会收敛在参考值Vref。

依据上述说明，即使在某些如环境恶劣、噪声干扰的情况下，本发明实施例的振荡器能够克服信号无法起振的问题。举例来说，于信号起振过程中，受影响的振荡信号的峰值会逐渐变小、或逐渐偏离工作范围而无法起振或失真。然而，通过峰值检测器及中间值检测器的检测，振荡器能对应地控制放大器的输入电源，从而调整其增益或工作范围来改善振荡信号的起振过程。如此，便能产生准确、稳定的振荡信号，而提高振荡器的效能。

请参照图5，其绘示为图2的振荡器于起振过程中检测振荡信号所取得的峰值及中间值的一例的时序图。如图5所示，刚开始起振时，代表振荡信号S1的振幅的峰值Vpk与目标值Vtarget差距很大，且代表振荡信号S1的直流位准的中间值Vlpf也偏离参考值Vref。当振荡信号S1未到达目标值Vtarget的前，振荡控制器230会提高供给放大器206的电流。当中间值Vlpf偏离参考值Vref时，振荡控制器230则调整流入电流Isink与流出电流Isource的相对大小。如此，峰值Vpk便能收敛在目标值Vtarget，而中间值Vlpf也收敛在参考值Vref，表示振荡信号S1能受到稳定地控制而符合所求。

请继续参照图2，振荡器200可更包括一选择控制器240及一设定单元250。选择控制器240用来提供能控制可变电流源231大小的选择信号Sel。设定单元250则用来储存振荡信号S1的各种参数，如与振荡信号S1振幅相关的目标值Vtarget、或与振荡信号S1位准相关的参考值Vref。设定单元250例如是由可编程参考电压产生器所实现，其例如使用了整合于振荡器内的带隙参考电路。带隙参考电路通常能从各家厂商取得，而用以从一参考电压或多个参考电压中产生所需电压。然本发明应不限于此，具有通常知识者应能参照上述说明而了解振荡信号的各种参数的实施态样。

依据上述说明，即使在某些如环境恶劣、噪声干扰的情况下，本发明实施例的振荡器能够克服信号无法起振的问题。举例来说，目标值Vtarget与参考值Vref可根据使用环境或耗电考虑来决定。如此，放大器的电流能按照振幅调整，因而能确保信号的起振不受环境或制程变化影响。再者，由于振幅的中心点设定在适当范围时，故振荡器不易受电源噪声的干扰，而使振幅范围尽可能在不失真的情况下扩大。更者，振荡信号S1可经由振荡器200的一输出放大器260放大而输出。此输出放大器260的两输入端耦接至振荡器200的两端点n1及n2，用以将信号放大而产生时钟信号OSC_OUT输出。如此，可避免传统使用史密特(schmitt)触发器中有信号工作周期变化的问题。

本发明上述实施例所揭露的振荡器及其振荡电路，具有多项优点，以下仅列举部分优点说明如下：

通过检测并控制振荡信号的峰值，使振荡器能确实地起振，不受环境变化影响；

信号起振后，振荡器能自动调整电流，使功耗减小；及

通过检测并控制振荡信号的直流位准，使振荡器不易受电源噪声的干扰，而使振幅范围可在不失真的情况下扩大。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (12)

1.一种振荡器，用以调整一振荡信号的振幅与位准，该振荡器包括：

两端点，各用以耦接至一电容器；

一晶体，耦接于该两端点之间；

一反馈电阻，耦接于该两端点之间；

一放大器，耦接于该两端点之间；

一峰值检测器，耦接至该两端点的其中一端点，用以检测该振荡信号的振幅而产生一峰值；

一平均值检测器，耦接至该两端点的该端点，用以检测该振荡信号的直流位准而产生一平均值；以及

一振荡控制器，用以根据该峰值及该平均值产生两电源信号，该两电源信号用以提供至该放大器以使该放大器调整该振荡信号的振幅及直流位准。

2.根据权利要求1所述的振荡器，其特征在于，该振荡控制器包括：

两电源供应端，耦接至该放大器；

一可变电流源，用以提供一偏压电流，该偏压电流的大小随着该峰值而变化；以及

一第一比较器，耦接该可变电流源至该两电源供应端，该第一比较器用以比较该平均值与一参考值；

其中，该偏压电流流经该第一比较器而形成与该第一比较器的比较结果相关的一流出(source)电流及一流入(sink)电流流经该两电源供应端。

3.根据权利要求2所述的振荡器，其特征在于，该振荡控制器更包括：

一第二比较器，耦接至该可变电流源，用以比较该峰值与一目标值，并依据其比较结果产生一控制信号来控制该可变电流源所提供的该偏压电流的大小。

4.根据权利要求2所述的振荡器，其特征在于，该第一比较器包括：

一第一电流镜，耦接至该两电源供应端之一；

一第二电流镜，耦接至该两电源供应端的另一；

一第一晶体管，具有一数据端耦接至该第一电流镜、另一资料端耦接至该可变电流源、及一控制端耦接以接收该参考值；以及

一第二晶体管，具有一数据端耦接至该第二电流镜、另一资料端耦接至该可变电流源与该第一晶体管的该另一数据端、及一控制端耦接以接收该平均值。

5.根据权利要求1所述的振荡器，其特征在于，该平均值检测器为一低通滤波器。

6.根据权利要求1所述的振荡器，其特征在于，该振荡控制器包括：

两电源供应端，耦接至该放大器；

一可变电流源，用以提供一偏压电流，该偏压电流的大小随着该峰值而变化；以及

一第二比较器，耦接至该可变电流源，用以比较该峰值与一目标值，并依据其比较结果产生一控制信号来控制该可变电流源所提供的该偏压电流的大小。

7.一种控制电路，适用于一振荡器，用以调整该振荡器的一振荡信号的振幅与位准，该控制电路包括：

一峰值检测器，用以检测该振荡信号的振幅而产生一峰值；

一平均值检测器，用以检测该振荡信号的直流位准而产生一平均值；以及

一振荡控制器，用以根据该峰值及该平均值产生两电源信号，该两电源信号用以提供至该振荡器以使该振荡器调整该振荡信号的振幅及直流位准。

8.根据权利要求7所述的控制电路，其特征在于，该振荡控制器包括：

两电源供应端；

一可变电流源，用以提供一偏压电流，该偏压电流的大小随着该峰值而变化；以及

一第一比较器，耦接该可变电流源至该两电源供应端，该第一比较器用以比较该平均值与一参考值；

其中，该偏压电流流经该第一比较器而形成与该第一比较器的比较结果相关的一流出(source)电流及一流入(sink)电流流经该两电源供应端。

9.根据权利要求8所述的控制电路，其特征在于，该振荡控制器更包括：

一第二比较器，耦接至该可变电流源，用以比较该峰值与一目标值，并依据其比较结果产生一控制信号来控制该可变电流源所提供的该偏压电流的大小。

10.根据权利要求8所述的控制电路，其特征在于，该第一比较器包括：

一第一电流镜，耦接至该两电源供应端之一；

一第二电流镜，耦接至该两电源供应端的另一；

一第一晶体管，具有一数据端耦接至该第一电流镜、另一资料端耦接至该可变电流源、及一控制端耦接以接收该参考值；以及

一第二晶体管，具有一数据端耦接至该第二电流镜、另一资料端耦接至该可变电流源与该第一晶体管的该另一数据端、及一控制端耦接以接收该平均值。

11.根据权利要求7所述的振荡电路，其特征在于，该平均值检测器为一低通滤波器。

12.根据权利要求7所述的控制电路，其特征在于，该振荡控制器包括：

两电源供应端；

一可变电流源，用以提供一偏压电流，该偏压电流的大小随着该峰值而变化；以及

一第二比较器，耦接至该可变电流源，用以比较该峰值与一目标值，并依据其比较结果产生一控制信号来控制该可变电流源所提供的该偏压电流的大小。