CN103178781B

CN103178781B - 一种高可靠性的泛音晶体振荡器

Info

Publication number: CN103178781B
Application number: CN201110436992.9A
Authority: CN
Inventors: 刘斌; 王树一; 朱胜云
Original assignee: Suzhou Megana Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Suzhou Megana Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2031-12-23
Also published as: CN103178781A

Abstract

本发明公开了一种高可靠性的泛音晶体振荡器，包括能够工作在压电晶体谐振器的基频和泛音频率的振荡电路，所述振荡电路包括放大器、时间延迟电路和压电晶体谐振器，所述放大器、时间延迟电路和压电晶体谐振器连接起来构成一个回路，其特征在于，还包括带阻滤波器，所述带阻滤波器与振荡电路相连。本发明可以不用外部的大电感来防止晶体振荡器工作于不需要的频率，方便集成电路的方式（IC）来实现。

Description

一种高可靠性的泛音晶体振荡器

技术领域

本发明涉及一种晶体振荡器，尤其是一种高可靠性的泛音晶体振荡器。

背景技术

本发明涉及晶体振荡器，更具体的说是泛音模式受控的晶体振荡器电路，该电路可以防止泛音晶体振荡器工作在不期望的泛音频率上。

通信、视频处理和高带宽的测试系统等应用需要稳定的高频时钟，以满足其特定的性能要求，并提供周期性和高精度间距的信号。大多数时钟由一种电子器件，例如振荡器，来产生一个精确的振荡信号。该信号在谐振器控制下，振荡在自然谐振频率上，例如基频或者其他泛音谐振频率。对于输出同样频率的振荡器，给定时间间隔的稳定度是评判其优劣的指标。振荡器的稳定度越高，则其输出的基频频率的精度也越高，同时信号特性的变化也越小。此外，品质因数Q是衡量振荡器另外一个指标，Q会影响到稳定度。一般来说，振荡器的品质因数越高，其频率稳定度也越好，信号特性的变化会越小，工作频率范围更接近其自然谐振频率。

传统的振荡器，如图1所示，通常使用一个晶体产生振荡信号，例如，一个时钟脉冲序列，理想状态下以一个恒定的间距保持时钟跳变。然而，某些应用中，振荡信号的会短期超前或者滞后于其理想位置，从而导致振荡周期的变化。这种不确定性，称为时钟抖动。它直接影响到时序裕量，从而限制了系统的性能。造成时钟抖动的原因有很多，例如温度和电压随时间的变化、外部环境条件的变化、制造参数的变化等等。抖动表示为一个或多个信号特性突然的和不期望的变化，如连续脉冲间隔的变化、连续周期幅度的变化、连续周期频率或者相位的变化。晶体振荡器经常受到抖动带来的困扰，如果是发生模式切换的泛音振荡器，抖动的影响更为明显。例如，流过晶体的驱动电流增加，晶体的振动幅度也随之增加，抖动也由于驱动电流增大而导致的石英晶体的非线性增加而变得更加明显。通常，振荡器的频率变化与驱动电流的平方成正比。因此，驱动电流的波动(如驱动器或电压源的变化造成的)能导致晶体振荡器的频率波动。此外，随着驱动电流的增加，石英晶体的电阻特性的非线性也同样增加。因此，驱动电流的变化带来的振荡器的不稳定，又将是抖动产生的另外一个来源。

一些传统的振荡器采用考毕兹方式连接，石英晶体以并行模式振荡于基频，并与维持电路/放大器构成的正反馈回路相连。然而，大多数应用需要的工作频率大大高于晶体的自然共振频率或基本频率。但是，高频率的基频晶体价格昂贵也难于制造，同时具有较低的稳定性和更容易老化。

因此，很多技术被用来将基频晶体的输出频率倍频以获得更高的频率。例如，锁相环（PLL）被用来将基频信号倍频产生一个需要的工作频率。虽然锁相环实现了高于基本频率的倍频功能，但是额外增加的电路却也给抖动的增加带来了可能。此外，一些电信应用，如数据传输系统的设计:如SONET,千兆以太网和光纤，使用的电路都必须工作在高频下，系统的参考时钟振荡器就必须严格满足抖动的要求。抖动过大将会降低系统的性能，当抖动过大时，上升沿位置的不确定性增加，从而会产生不可接受的误码率。

另一种获得高于基频频率信号输出的技术是利用晶体的泛音模式，例如三泛音。通常泛音晶体振荡器的相位噪声或抖动比其他方法获得的高频率要好。但泛音晶体振荡器常常会遇到模式切换的问题。

有很多现有的技术来防止晶体振荡器工作于不需要的频率。通常这些技术为了减少寄生振荡而工作于期望的频率，需要用到电抗元件，特别是电感。例如，美国专利3845410“晶体振荡器寄生振荡抑制电路”阐述了一种考毕兹振荡器，如何利用感性元件和阻性元件的选择来控制杂散频率的功率损耗并使得感性于阻性元件在工作频率下的损耗最小。同样，美国专利3875533欧文等人公开了一种考毕兹振荡器电路外，通过外加变压器以将不需要的频率分量抑制到最低。所有这些现有的技术都需要添加外部电感元件，并不适合集成电路的方式（IC）来实现。

发明内容

本发明目的是：提供一种可以不用外部的大电感来实现防止晶体振荡器工作于不需要的频率的高可靠性的泛音晶体振荡器。

本发明的技术方案是：一种高可靠性的泛音晶体振荡器，包括能够工作在压电晶体谐振器的基频和泛音频率的振荡电路，所述振荡电路包括放大器、时间延迟电路和压电晶体谐振器，所述放大器、时间延迟电路和压电晶体谐振器连接起来构成一个回路，其特征在于，还包括带阻滤波器，所述带阻滤波器与振荡电路相连。

进一步的，所述放大器为宽带放大器。

进一步的，所述宽带放大器为皮尔斯或考毕兹式放大电路。

进一步的，所述带阻滤波器包括跨导电路GM1、跨导电路GM2以及负载电容C，所述跨导电路GM1、跨导电路GM2以及负载电容C等效为一个电感，输入电容和等效电感形成所需的带阻滤波器。

进一步的，所述带阻滤波器可以是为了得到更好的振荡器性能而使用增强品质因数的滤波器。

进一步的，所述增强品质因数的滤波器包括输入滤波级，中段Q增强级和输出缓冲级，所述输入滤波级采用并联电容器，片式电感器，过滤掉带外信号；中段Q增强级为可变偏置电流的闩锁，提供从输入滤波级传来的滤波信号反馈并增强Q因子，输出缓冲级为下一级提供驱动能力。

本发明的优点是：

可以不用外部的大电感来防止晶体振荡器工作于不需要的频率，方便集成电路的方式（IC）来实现。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为现有典型晶体振荡电路。

图2应用带阻滤波器抑制泛音振荡模式的差分考毕兹晶体振荡电路的一种实施例。

图3片上带阻滤波器的一种实现。

图4是Q增强滤波器电路的一种实现。

具体实施方式

实施例：如图2所示的高可靠性的泛音晶体振荡器，包括一个能够工作在压电晶体谐振器的基频和泛音频率的振荡电路，它由放大器、时间延迟电路和压电晶体谐振器连接起来，构成一个回路。提供单位增益和环路零相移的放大器和时间延迟电路工作于同一频率。这种放大器通常是宽带放大器。该放大器可以是皮尔斯或考毕兹式放大电路。如图2所示，框图1中的电路即为考毕兹晶体振荡器，框图2中的滤波器为带阻滤波器。偏置电压VB设置在有源器件M1和M2上产生偏置电流，考毕兹振荡器有负阻效应，又称为负阻振荡器。C1和C2的比值需要仔细的选择以产生更好的振荡性能和更好的相位噪声。在本实施例中，我们选择C1和C2的比值为1:4。

跨导电路（gm电路，或者更通用的来说，增益电路）的作用是放大晶体过滤后的周期信号。除了基频模式，晶体通常还有多个泛音模式，例如三次和五次泛音模式。给振荡器加上一个谐波滤波器（带阻滤波器）和与晶体并联电阻可以有效地选择所需的泛音并衰减不需要的泛音和基频振荡。通过这个方法，我们可以得到一个稳定的泛音振荡，并防止出现其他泛音振荡器发生的模式切换问题。可以由中心频率为不需要泛音频率的带阻滤波器来实现泛音滤波器，例如对于三泛音晶体振荡器来说，可以将带阻滤波器的中心频率设为五泛音频率。带阻滤波器的一种实例如图3所示。gm1，gm2和负载电容C等效为一个电感。输入电容和GM-C电感形成所需的带阻滤波器。另一个实施例中，带阻滤波器可以是为了得到更好的振荡器性能而使用增强品质因数的滤波器。如图4是一个增强品质因数滤波器的实现。增强品质因数的滤波器包括输入滤波级，中段Q增强级和输出缓冲级，所述输入滤波级采用并联电容器，片式电感器，过滤掉带外信号；中段Q增强级为可变偏置电流的闩锁，提供从输入滤波级传来的滤波信号反馈并增强Q因子，输出缓冲级为下一级提供驱动能力。

另一个实施例中，可以用皮尔斯振荡器替代差分考毕兹晶体振荡器，带阻滤波器也可以在皮尔斯电路中实现上述在考毕兹电路的配置实现的功能。

以上实施例仅为本发明其中的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种高可靠性的泛音晶体振荡器，包括能够工作在压电晶体谐振器的基频和泛音频率的振荡电路，所述振荡电路包括放大器、时间延迟电路和压电晶体谐振器，所述放大器、时间延迟电路和压电晶体谐振器连接起来构成一个回路，其特征在于，还包括带阻滤波器，所述带阻滤波器与振荡电路相连；

所述放大器为宽带放大器，提供单位增益和环路零相移，和时间延迟电路工作于同一频率；

所述带阻滤波器与宽带放大器并联，包括输入电容、跨导电路GM1、跨导电路GM2以及负载电容C，所述跨导电路GM1、跨导电路GM2以及负载电容C等效为一个电感，输入电容和等效电感形成所需的带阻滤波器。

2.根据权利要求1所述的高可靠性的泛音晶体振荡器，其特征在于，所述宽带放大器为皮尔斯或考毕兹式放大电路。

3.根据权利要求1所述的高可靠性的泛音晶体振荡器，其特征在于，为了得到更好的振荡器性能，所述带阻滤波器使用增强品质因数的滤波器。

4.根据权利要求3所述的高可靠性的泛音晶体振荡器，其特征在于，所述增强品质因数的滤波器包括输入滤波级，中段Q增强级和输出缓冲级，所述输入滤波级采用并联电容器，片式电感器，过滤掉带外信号；中段Q增强级为可变偏置电流的闩锁，提供从输入滤波级传来的滤波信号反馈并增强Q因子，输出缓冲级为下一级提供驱动能力。