CN103166572A - 振荡器加速起振的方法、加速起振单元及振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种振荡器加速起振的方法、加速起振单元及振荡器，该方法包括在振荡器上电后，根据振荡器的振荡幅度调整可编程尾电流源的电流控制字；根据可编程尾电流源的电流控制字改变振荡器的工作电流由预设的最大电流值至预设的最小电流值。本发明通过以上技术方案，提供一种更加完善的一种振荡器加速起振的方法、加速起振单元及振荡器。

Description

振荡器加速起振的方法、加速起振单元及振荡器

技术领域

本发明涉及振荡器领域，尤其涉及一种振荡器加速起振的方法、加速起振单元及振荡器。

背景技术

晶体振荡器是以石英晶体为谐振腔的一类振荡器的总称，借助了石英晶体谐振腔具有的极高选频特性的优点，晶体振荡器能产生高精度和高稳定度的频率信号，被广泛应用于微处理器、控制器、钟表、通讯设备等系统中，为这些系统提供基准时钟信号，由于石英晶体属于无源器件，其本身并不能振荡，需要配合额外的有源负阻电路才能振荡。在起振阶段，有源负阻电路给石英晶体谐振腔提供足够能量让其起振；在振荡过程中，有源负阻电路源源不断的补充石英晶体谐振腔的能量消耗并达到一种平衡态，使得振荡过程得到维持和继续。

射频收发机芯片对晶体振荡器的相位噪声性能通常要求较高，而且有些射频收发机芯片还要求晶体振荡器能够快速起振，以尽快进入正常应用模式。但是，相位噪声、起振时间与尾电流大小直接相关，而尾电流最大值又受到MOS管击穿电压的限制。通常，尾电流越大，则相位噪声性能越好，起振时间越短；但尾电流过大将会导致振荡幅度过大，如果振荡幅度超过MOS管能够承受的电压限制，将会严重影响MOS管的可靠性和寿命。对于现代CMOS工艺，核心电路MOS管都是工作在低电压下，能够承受的最大电压也很低(通常不超过1.5倍电源电压，假设电源电压为1.2V，则该值为1.8V)，可靠性要求尤为显著。因此，可靠性要求限制了晶体振荡器尾电流的最大值，如果在这个最大电流值下，晶体振荡器的起振时间仍然不能满足要求(对于现代CMOS工艺，这一点通常不能满足)，那就必须增加额外的加速起振电路。

为了加快晶体振荡器起振速度，现有技术通常是采用基于模拟负反馈的加速起振电路。图1为现有技术中带有模拟加速起振环路的晶体振荡器的示意图，包括晶体振荡器核心电路1、幅度检测电路2、压控尾电流源3和输出缓冲器4，基本工作原理是，幅度检测电路2检测振荡幅度并输出一个与振荡幅度相对应的直流电压，去不断改变压控尾电流源3的电流大小，直至达到稳定，起振前是大电流，起振后是小电流(正常电流)。这里，压控尾电流源3的电流大小直接受控制电压Vc的控制，幅度检测电路2(又称为峰值检测电路)检测晶体振荡器核心电路1的振荡幅度，并输出一个由输入振荡幅度决定的直流电压，幅度检测电路2的检测特性具有单调性，即输入幅度越大，输出直流电压单调下降，或者单调上升，晶体振荡器刚刚上电的时候，幅度非常小，幅度检测电路2的输出较高Vc(或者最低)，由Vc控制产生的尾电流非常大，晶体振荡器处于非常大的尾电流偏置下，开始加速起振，幅度也开始加速增大，幅度检测电路2的输出Vc开始逐渐下降(或者上升)，由Vc控制产生的尾电流也开始逐渐下降，在这种模拟负反馈环路的作用下，晶体振荡器最终趋于稳定振荡状态，振荡波形如图2所示，图2为图1所示晶体振荡器的起振过程的振幅波形、输出时钟信号(CKout)波形及尾电流波形示意图，图1所示电路的X处节点的波形表示振幅波形，Ts为起振时间，由尾电流波形可以看出，起振前尾电流由Imax逐渐减小至Inorm，振荡稳定后的电流为Inorm，这种基于模拟负反馈的加速起振环路，虽然能够有效减小晶体振荡器起振时间，但是也有许多缺点：首先，与任何模拟负反馈环路一样，存在稳定性问题，这种稳定性体现为负反馈环路的相位裕度和增益裕度是否足够，而且这是一种隐藏在大信号周期稳态振荡背后的小信号特性，现有仿真器很难直接仿真去检查这种稳定性，因此增加了这种负反馈环路的设计难度；其次，严重恶化晶体振荡器的相位噪声性能，由于模拟环路任何时刻总是有效和维持着，而幅度检测电路会产生大量噪声，因此会注入到模拟环路中去，影响并恶化晶体振荡器的相位噪声性能。

发明内容

本发明提供一种更加完善的一种振荡器加速起振的方法、加速起振单元及振荡器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种振荡器加速起振的方法，包括：

在振荡器上电后，根据振荡器的振荡幅度调整可编程尾电流源的电流控制字；

根据可编程尾电流源的电流控制字改变振荡器的工作电流，由预设的最大电流值至预设的最小电流值。

根据可编程尾电流源的电流控制字改变振荡器的工作电流由预设的最大电流值至预设的最小电流值的过程包括：将振荡器的工作电流由预设的最大电流值经一次或多次切换至预设的最小电流值。

所述预设的最小电流值等于所述振荡器振幅稳定后的电流值。

根据振荡器的振荡幅度调整可编程尾电流源的电流控制字的步骤包括：

对振荡器的振荡幅度进行检测，得到单调性的检测值；

将所述检测值输入一个或多个比较器，各比较器的另一输入端输入不同的参考值，各比较器输出比较结果；

对各比较器输出的比较结果进行运算，根据运算结果确定电流控制字。

还包括所述参考值的设定步骤：

利用可编程尾电流源给振荡器提供所述最小电流值；

对多种仿真条件下所述振荡器稳定后的振荡幅度进行检测，得到最小振荡幅度相应的检测值，将所述最小振荡幅度相应的检测值作为仿真值；

若所述仿真值与振荡器的振荡幅度呈正检测特性，则将所述参考值设置为大于所述仿真值预设余量；若所述仿真值与振荡器的振荡幅度呈负检测特性，则将所述参考值设置为小于所述仿真值预设余量。

一种加速起振单元，包括幅度检测单元、比较单元、运算单元和可编程尾电流源，所述幅度检测单元的输入端连接振荡器，所述运算单元的输出端连接用于给所述振荡器提供工作电流的所述可编程尾电流源，其中，

所述幅度检测单元用于在振荡器上电后，对振荡器的振荡幅度进行检测，得到单调性的检测值；

所述比较单元用于将所述检测值与预设的一个或多个参考值进行比较，并得到比较结果；

所述运算单元根据所述比较结果确定电流控制字，并输出至所述可编程尾电流源；

所述可编程尾电流源用于根据所述电流控制字改变振荡器的工作电流由预设的最大电流值至预设的最小电流值。

所述比较单元包括多个比较器，各比较器的其中一个输入端输入所述检测值，另一个输入端输入不同的参考值，各比较器输出比较结果；所述运算单元为组合逻辑编码器，所述组合逻辑编码器对各比较器输出的比较结果进行运算，并根据运算结果确定电流控制字。

所述可编程尾电流源用于将振荡器的工作电流由预设的最大电流值经一次或多次切换至预设的最小电流值。

一种振荡器，包括上述任一项所述的加速起振单元，所述加速起振单元用于根据振荡器的振荡幅度调整可编程尾电流源的电流控制字；根据可编程尾电流源的电流控制字改变振荡器的工作电流由预设的最大电流值至预设的最小电流值。

本发明一种振荡器加速起振的方法、加速起振单元及振荡器，该方法在振荡器上电后，根据振荡器的振荡幅度调整给振荡器提供工作电流的可编程尾电流源的电流控制字；根据可编程尾电流源的电流控制字改变振荡器的工作电流由预设的最大电流值至预设的最小电流值。相比于现有技术基于模拟负反馈的加速起振电路连续地改变尾电流源的电流大小的方式，本发明所述方案由于控制字的值不会受噪声影响而发生改变，输出的尾电流不会受噪声影响而发生改变，因此，不影响振荡器的相位噪声性能。

附图说明

图1为现有技术中带有模拟加速起振环路的晶体振荡器的示意图；

图2为图1所示晶体振荡器的起振过程的振幅波形、输出时钟信号波形及尾电流波形示意图；

图3为本发明实施例一种振荡器加速起振的方法的流程图；

图4为本发明实施例一种振荡器的示意图；

图5为图4所示振荡器的起振过程的振幅波形、输出时钟信号波形及尾电流波形示意图；

图6为本发明另一实施例一种振荡器的示意图；

图7为图6所示振荡器电流切换过程的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

图3为本发明实施例一种振荡器加速起振的方法的流程图，请查考图3：

S31、在振荡器上电后，根据振荡器的振荡幅度调整给可编程尾电流源的电流控制字；

S32、根据可编程尾电流源的电流控制字改变振荡器的工作电流由预设的最大电流值至预设的最小电流值。

步骤S32中可以将振荡器的工作电流由预设的最大电流值经一次或多次切换至预设的最小电流值。

下面以一次切换为例，图4为本发明实施例一种振荡器的示意图，请参考图4：

一种振荡器，其特征在于，包括振荡器核心电路11、加速起振单元和输出缓冲器13，振荡器核心电路11包括：PMOS管Mp1、NMOS管Mn1、电阻R、电容C1、C2和石英晶体111，加速起振单元包括幅度检测电路121、比较器122、组合逻辑编码器123和可编程尾电流源124；

Mn1的漏极与Mp1的漏极相连，Mn1的源极接地，Mn1的栅极与Mp1的栅极相连；Mn1的漏极和Mp1的漏极还与电阻R的一端相连，Mn1的栅极与Mp1的栅极还与电阻R的另一端相连，可编程尾电流源124的输出电流流入Mp1的源极；电容C1的一端与石英晶体的一端、Mn1的漏极、Mp1的漏极相连，电容C1的另一端接地；电容C2的一端与石英晶体的另一端、Mn1的栅极、Mp1的栅极相连，电容C2的另一端接地；Mn1的栅极与Mp1的栅极还与输出缓冲器13的输入端相连，输出缓冲器13输出的时钟信号CKout送给其它电路使用；Mn1的栅极与Mp1的栅极还与幅度检测电路121的输入端相连，幅度检测电路121的输出端接比较器122的一个输入端；比较器122的另一输入端接参考电平Vref，比较器122的输出端接组合逻辑编码器123的输入；所述组合逻辑编码器123的输入接所述比较器的输出，所述组合逻辑编码器123的输出端与可编程尾电流源124相连，向可编程尾电流源124输出电流控制字IbCode；

因比较器122输出比较结果(Comparator Output，CmpOut)只能是逻辑1或逻辑0，因此组合逻辑编码器123根据比较结果CmpOut可以得到两个电流控制字0或N，假设电流控制字IbCode＝0对应可编程尾电流源124的最小电流值Inorm，电流控制字IbCode＝N对应可编程尾电流源124最大电流值Imax，幅度检测电路121具有负检测特性，即输入幅度越大，输出直流电压Vc单调下降，其工作原理包括：

晶体振荡器刚刚上电的时候，幅度非常小，几乎为0，幅度检测电路121检测晶体振荡器的振荡幅度，并输出与振荡幅度相对应的较高的直流电压Vc；Vc和参考电压Vref通过比较器122进行比较；Vc大于Vref，比较器122输出比较结果CmpOut为逻辑1；组合逻辑编码器123根据比较结果CmpOut为逻辑1产生相应的电流控制字IbCode＝N，可编程尾电流源124根据电流控制字IbCode＝N产生最大电流值Imax，晶体振荡器在Imax电流偏置下，开始加速起振，幅度也开始加速增大，幅度检测电路121的输出Vc开始逐渐下降；一旦Vc低于Vref，比较器122开始翻转，比较结果CmpOut变为逻辑0；组合逻辑编码器123根据比较结果CmpOut为逻辑0产生电流控制字IbCode＝0，可编程尾电流源124根据电流控制字IbCode＝0产生最小电流值Inorm，晶体振荡器在Inorm的偏置电流下趋于稳定。

或者，假设幅度检测电路121具有正检测特性，即输入幅度越大，输出直流电压单调上升；则晶体振荡器刚刚上电的时候，幅度非常小，幅度检测电路121输出与振荡幅度相对应的较低的直流电压Vc；Vc和参考电压Vref通过比较器122进行比较；Vc小于Vref，比较器122输出比较结果CmpOut为逻辑0；组合逻辑编码器123根据比较结果CmpOut为逻辑0产生相应的电流控制字IbCode＝N，可编程尾电流源124根据电流控制字IbCode＝N产生最大电流值Imax，晶体振荡器在Imax电流偏置下，开始加速起振，幅度也开始加速增大，幅度检测电路121的输出Vc开始逐渐上升；一旦Vc高于Vref，比较器122开始翻转，比较结果CmpOut变为1；组合逻辑编码器123根据比较结果CmpOut为逻辑1产生电流控制字IbCode＝0，可编程尾电流源124根据电流控制字IbCode＝0产生最小电流值Inorm，晶体振荡器在Inorm的偏置电流下趋于稳定。

图5为图4所示振荡器的起振过程的振幅波形、输出时钟信号CKout波形及尾电流波形示意图，请参考图5：T1为电流一次切换的时间点，图4所示电路的X处节点的波形表示振幅波形，由尾电流波形可以看出，尾电流在起振阶段只有两个值，最大电流值Imax和最小电流值Inorm，最小电流值Inorm也是振荡稳定后的电流值，Imax可以为Inorm的几倍甚至十倍，该实施例中，参考电压Vref的选取要确保在起振过程中电流切换只作用一次，而不会陷入电流大小不停切换的死循环中去，可以通过以下方式确定Vref的值：

步骤一、给尾电流取一个固定值Inorm输入给振荡器，在多种仿真条件下检测振荡器的稳定幅度，选出多种仿真条件(电源电压、温度、工艺的各种组合条件下)下检测到的振荡器的最小振荡幅度为Ax；

步骤二、将振荡幅度为Ax的正弦信号加在幅度检测电路121的输入端，幅度检测电路121输出检测值，即直流电平Vcx，作为仿真值；

步骤三、若幅度检测电路121呈正检测特性，则将Vref设置成大于Vcx预设余量；若幅度检测电路121呈负检测特性，则将Vref设置成小于Vcx预设余量。

优选的，余量可以是Vcx的20％，如果幅度检测电路121呈正检测特性，则设置Vref＝1.2Vcx；如果幅度检测电路121呈负检测特性，则设置Vref＝0.8Vcx；

本实施例为基于电流一次切换的振荡器，实现了先大电流后小电流的切换，而切换的执行仅仅依赖于对振荡器振荡幅度的检测和判断，因此有效加快了晶体振荡器的起振速度；而且该电路的工作过程不依赖于外部控制信号，即电流切换信号由振荡器内部产生；当电流从Imax切换到Inorm后，电流控制字IbCode将不再变化，此时整个环路相当于断开，因此幅度检测电路121、比较器122、组合逻辑编码器123等模块的噪声不能作用于加速起振电路中，因此不恶化晶体振荡器的相位噪声。

下面以两次切换为例，图6为本发明另一实施例一种振荡器的示意图，请参考图6：

相比于图4所示电路结构，本实施例增加了一个比较器125，比较器122输出比较结果CmpOut1，比较器125输出比较结果CmpOut2，组合逻辑编码器123根据比较结果CmpOut1和比较结果CmpOut2的三种组合方式11、00、01(或10)可以得到三个电流控制字0、K或N，其中N＞K＞0，如果幅度检测电路121呈负检测特性，则可以设置Vref1＞Vref2；如果幅度检测电路121呈正检测特性，则可以设置Vref1＜Vref2，假设幅度检测电路121呈负检测特性，电流的切换过程包括：

振荡器刚刚上电的时候，幅度非常小，几乎为0，幅度检测电路121的输出Vc较高，Vc＞Vref1＞Vref2，因此比较结果CmpOut1为逻辑1，比较结果CmpOut2为逻辑1；组合逻辑编码器123根据比较结果CmpOut1和比较结果CmpOut2产生相应的电流控制字IbCode＝N，可编程尾电流源124根据电流控制字IbCode＝N产生最大电流值Imax，晶体振荡器在Imax的偏置下，加速起振，幅度加速增大，Vc电压逐渐下降；一旦Vref1＞Vc＞Vref2，则比较器122开始反转，输出比较结果CmpOut1为逻辑0，比较器125的输出比较结果CmpOut2仍然是逻辑1；组合逻辑编码器123的输出为电流控制字IbCode＝K，可编程尾电流源124根据电流控制字IbCode＝K产生中间电流值Imid(Imid为介于Inorm与Imax之间的某个中间值)；振荡器在中间电流值Imid的偏置下，幅度继续增大，但增大的速度已经放缓，Vc电压继续下降；一旦Vref1＞Vref2＞Vc，比较器125开始反转，此时比较器122输出比较结果CmpOut1为逻辑0，比较器125输出比较结果CmpOut2为逻辑0，组合逻辑编码器123的输出为电流控制字IbCode＝0，可编程尾电流源124根据电流控制字IbCode＝0产生最小电流值Inorm；晶体振荡器在Inorm的偏置下，幅度仍然未达到最大，幅度将会继续增大，直至稳定。

图7为图6所示振荡器电流切换过程的示意图，T1为电流从Imax切换至Imid的时间点，T2为电流从Imid切换至Inorm的时间点。

本实施例为基于电流两次切换的振荡器，实现了先大电流后小电流的切换，而切换的执行仅仅依赖于对振荡器振荡幅度的检测和判断，因此有效加快了晶体振荡器的起振速度；而且该电路的工作过程不依赖于外部控制信号，即电流切换信号由振荡器内部产生；当电流从Imax切换到Inorm后，电流控制字IbCode将不再变化，此时整个环路相当于断开，因此幅度检测电路121、比较器122、比较器125、组合逻辑编码器123等模块的噪声不能作用于加速起振电路中，因此不恶化晶体振荡器的相位噪声。

本发明包括但不局限于电流一次或两次切换，还可以是多次切换，此外，本发明提供的振荡器包括但不局限于晶体振荡器，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种振荡器加速起振的方法，其特征在于，包括：

在振荡器上电后，根据振荡器的振荡幅度调整可编程尾电流源的电流控制字；

根据可编程尾电流源的电流控制字改变振荡器的工作电流，由预设的最大电流值至预设的最小电流值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据可编程尾电流源的电流控制字改变振荡器的工作电流由预设的最大电流值至预设的最小电流值的过程包括：将振荡器的工作电流由预设的最大电流值经一次或多次切换至预设的最小电流值。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述预设的最小电流值等于所述振荡器振幅稳定后的电流值。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据振荡器的振荡幅度调整可编程尾电流源的电流控制字的步骤包括：

对振荡器的振荡幅度进行检测，得到单调性的检测值；

将所述检测值输入一个或多个比较器，各比较器的另一输入端输入不同的参考值，各比较器输出比较结果；

对各比较器输出的比较结果进行运算，根据运算结果确定电流控制字。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括所述参考值的设定步骤：

利用可编程尾电流源给振荡器提供所述最小电流值；

对多种仿真条件下所述振荡器稳定后的振荡幅度进行检测，得到最小振荡幅度相应的检测值，将所述最小振荡幅度相应的检测值作为仿真值；

若所述仿真值与振荡器的振荡幅度呈正检测特性，则将所述参考值设置为大于所述仿真值预设余量；若所述仿真值与振荡器的振荡幅度呈负检测特性，则将所述参考值设置为小于所述仿真值预设余量。

6.一种加速起振单元，其特征在于，包括幅度检测单元、比较单元、运算单元和可编程尾电流源，所述幅度检测单元的输入端连接振荡器，所述运算单元的输出端连接用于给所述振荡器提供工作电流的所述可编程尾电流源，其中，

所述幅度检测单元用于在振荡器上电后，对振荡器的振荡幅度进行检测，得到单调性的检测值；

所述比较单元用于将所述检测值与预设的一个或多个参考值进行比较，并得到比较结果；

所述运算单元根据所述比较结果确定电流控制字，并输出至所述可编程尾电流源；

所述可编程尾电流源用于根据所述电流控制字改变振荡器的工作电流由预设的最大电流值至预设的最小电流值。

7.如权利要求6所述的加速起振单元，其特征在于，所述比较单元包括多个比较器，各比较器的其中一个输入端输入所述检测值，另一个输入端输入不同的参考值，各比较器输出比较结果；所述运算单元为组合逻辑编码器，所述组合逻辑编码器对各比较器输出的比较结果进行运算，并根据运算结果确定电流控制字。

8.如权利要求6或7所述的加速起振单元，其特征在于，所述可编程尾电流源用于将振荡器的工作电流由预设的最大电流值经一次或多次切换至预设的最小电流值。

9.一种振荡器，其特征在于，包括权利要求6至8任一项所述的加速起振单元，所述加速起振单元用于根据振荡器的振荡幅度调整可编程尾电流源的电流控制字；根据可编程尾电流源的电流控制字改变振荡器的工作电流由预设的最大电流值至预设的最小电流值。

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