CN103825554A - 晶体振荡器以及产生振荡信号的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自我供电的晶体振荡器，该晶体振荡器具有晶体单元以及能量注入模块。该晶体单元是用来振荡以产生振荡信号；该能量注入模块耦接至该晶体单元，用来间歇地将能量注入该晶体单元。本发明还提供一种产生振荡信号的方法，包含有：利用晶体单元来振荡以产生该振荡信号；以及间歇地将能量注入该晶体单元。本发明藉由能量注入机制可大幅地降低功率消耗。
Description
【技术领域】
本发明关于一种晶体振荡器，尤指一种自我供电的晶体振荡器以及相关振荡信号产生方法，其是利用功率/能量注入机制来补偿晶体单元的能量损失并且消耗较低功率。
【背景技术】
即时追踪（real-time tracking）被广泛地应用在许多电子装置上，例如数字相机、全球定位导航系统、移动电话等等。实务上，一般会采用一个32.768kHz的晶体（crystal,XTAL）来搭配振荡电路以产生实时时钟，其原因在于此种晶体的高频振荡在面对外在环境的变化下具有较高的稳定性。另一方面，某些电子装置是便携式的且配备有有限容量的电池。为了增加以电池供电的可携式电子装置的使用时间，设计者亟需降低这类电子装置的元件功耗，其中也包含晶体振荡器的功耗。
在现有技术中，皮耳士振荡器（Pierce oscillator）为常用的晶体振荡器架构。W.Thommen在“An Improved Low Power Crystal Oscillator”,Proc.of the25thESSCIRC,pp.146-149,Sept.,1999”中提出了这种通过振幅控制机制，可实现功耗只有亚微瓦（sub-uW）等级的皮耳士振荡电路。为了降低皮耳士振荡器的大负载电容所产生的额外功率消耗，D.Ruffieux又在“A High-Stability,Ultra-Low-Power Quartz Differential Oscillator Circuit for Demanding RadioApplications,”Proc.Of the28th ESSCIRC,pp.85-88,Sept.,2002”中提出一种差动振荡器。然而，上述两种架构都需要使用操作在线性区域的放大器，因而造成可观的静态功耗，也使得降低晶体振荡器的整体功耗的难度大幅提高。
【发明内容】
有鉴于此，本发明提供一种晶体振荡器以及产生振荡信号的方法。
本发明提出一种晶体振荡器，包含有：晶体单元以及能量注入模块。该晶体单元是用来振荡以产生振荡信号；该能量注入模块耦接至该晶体单元，用来间歇地将能量注入该晶体单元。
本发明还提出一种产生振荡信号的方法，包含有：利用晶体单元来振荡以产生该振荡信号；以及间歇地将能量注入该晶体单元。
上述晶体振荡器以及产生振荡信号的方法藉由能量注入机制可大幅地降低功率消耗。
【附图说明】
图1绘示了晶体单元的振荡波形。
图2绘示了代表该晶体单元的共振模式的等效电路。
图3为依据本发明一实施例的晶体振荡器的示意图。
图4为图3中晶体振荡器的信号的波形图。
图5为依据本发明一实施例的切割器以及脉冲产生器的电路图。
图6为依据本发明一实施例的能量供应级的电路图。
图7为依据本发明一实施例的能量供应级中的升压器的电路图。
【具体实施方式】
在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域中技术人员应可理解，电子装置制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。以外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接到第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。
请一并参考图1和图2，图1绘示了一晶体单元的振荡波形，而图2则绘示了代表该晶体单元的共振模式的等效电路。当该晶体单元的两端的电压VCp降到0时，该晶体单元的能量完全地转移到电感LS中，造成流过电感LS的电感电流ILs会达到最大值。而当电感电流ILs流出电感LS时，电压VCp会逐渐地升高，且电感LS中所储存的能量将会转移并且储存到电容CP中。然而，在共振的过程中，储存在该晶体单元中的能量会慢慢地因为动态阻抗(motional resistance)（以电阻RS为模型）而耗损。若是可以在每一振荡周期都重新对该晶体单元补充能量以弥补电阻RS所消耗的能量，则该晶体单元便可保持完美的振荡。因此，本发明提出一种能量注入机制，其会间歇地(intermittently)将能量注入该晶体单元，这样一来便可补偿上述的能量损失以维持振荡。
请参考图3，图3是依据本发明一实施例的晶体振荡器的示意图。晶体振荡器300包含有晶体单元302、能量注入模块（power injection module）310以及振荡起始电路(oscillation start-up circuit)330。首先，振荡起始电路330会触发晶体单元302好让振荡行为开始动作，振荡起始电路330可以是相关现有技术中在晶体振荡器中使用的任何振荡电路，例如皮耳士振荡器。一旦晶体单元302开始振荡或是能量注入模块310开始间歇地将能量注入晶体单元302中，振荡起始电路330便会被关闭且完全不会耗电。之后，晶体单元302的能量耗损将利用能量注入模块310来补偿。
在此实施例中，能量注入模块310包含有：切割级(slicing stage)312、脉冲产生级314以及能量供应级（power delivering stage）316。本实施例中的能量注入模块310具有差动注入机制，来将能量从晶体单元302的两端以差动形式注入进晶体单元302。差动注入机制的目的是在于取得晶体单元302的两端之间的直流平衡，在相关现有技术中，通常是藉由连接于晶体单元302的两端之间的大反馈电阻来达到直流平衡，然而大反馈电阻的耗电相对较大，因此为了降低功耗，本发明在此使用该差动注入机制来代替上述的大反馈电阻。在说明时，能量注入模块310是使用差动注入机制来将能量注入晶体单元302，但本发明并不以此为限，在其它实施例中，能量注入模块310也可以仅将能量间歇地注入晶体单元302的任一端点。
在图3中由于采用差动注入机制，架构中每一级都具有成对的元件。因此，切割级312包含有切割器312A以及切割器312B，分别耦接至晶体单元302，用来接收振荡信号Vxi和振荡信号Vxo并将其分别切割以产生切割信号Vck和切割信号Vck’；脉冲产生级314包含有脉冲产生器314A和脉冲产生器314B，分别耦接至切割级312，用来接收切割信号Vck和切割信号Vck’，并且据以从切割信号Vck和切割信号Vck’抽取出脉冲信号，以分别产生脉冲信号Veg和脉冲信号Veg’；能量供应级316包含有能量供应电路316A和316B，耦接至脉冲产生级314，用来分别依据脉冲信号Veg和脉冲信号Veg’来间歇地将能量传送到晶体单元302。图4绘示了上述所提及的信号波形。当振荡信号Vxi处在正半周期，切割信号Vck会升高，而当振荡信号Vxi处在负半周期，切割信号Vck则会下降。之后，切割信号Vck的上升沿（rising edge）会被提取用来当作脉冲信号Veg，由于脉冲信号Veg是由切割信号Vck的上升沿所取出，故脉冲信号Veg的脉冲会在电压Vxi上升时产生；相同的，脉冲信号Veg’的脉冲会在电压Vxo上升时产生。当脉冲产生时，能量供应级316会被触发并将能量注入晶体单元302。特别是当电压Vxi上升时，能量供应级316会提供高于电压Vxi的电压电平（level）的第一供应电压（例如VDD）至晶体单元302的端点Ei，来对晶体单元302中的电容CP充电至该第一供应电压，以补偿能量损失。在差动注入机制之下，能量供应级316另提供第二供应电压（例如接地电压）至晶体单元302的端点Eo。当电压Vxo上升时，能量供应级316会提供高于电压Vxo的电压电平的第一供应电压（例如VDD）至晶体单元302的端点Eo，来对晶体单元302中的电容CP充电至该第一供应电压，同时能量供应级316会提供该第二供应电压（例如接地电压）至晶体单元302的端点Ei。由于从能量供应级316所注入的能量遵守晶体单元302中的能量流动方向，因此可以将该能量注入机制所引起的扰动降到最低。
图5为依据本发明一实施例的切割器312A以及脉冲产生器314A的电路图。晶体单元302在第一端点Ei所产生的振荡信号Vxi会分别通过耦合电路（例如电容C1和电容C2）而交流耦合（alternating current(AC)-coupled）至一P型金属氧化半导体晶体管（P type Metal-Oxide-Semiconductor,PMOS）M3以及一N型金属氧化半导体晶体管M4的栅极。偏压电路（例如二极管连接形式晶体管（Diode-connected transistor）M1和M2）分别提供不同直流偏压点的偏压给P型金属氧化半导体晶体管M3以及N型金属氧化半导体晶体管M4，其结果是晶体管M3和晶体管M4会正常地截止，这样一来，P型金属氧化半导体晶体管M3以及N型金属氧化半导体晶体管M4便不会造成静态电流和能量的消耗。另外，切割电路耦接至该耦合电路，用来接收通过该耦合电路所耦合的该振荡信号，并依据该振荡信号产生至少一切割信号，例如在该切割电路中，P型金属氧化半导体晶体管M3以及N型金属氧化半导体晶体管M4的输出会依据振荡信号Vxi的电压电平而在高低电平之间切换，进而产生一方波。该方波会被传送到一P型金属氧化半导体晶体管M5和一N型金属氧化半导体晶体管M6所构成的反相器以产生切割信号Vck。切割信号Vck会被传送到脉冲产生器314A。脉冲产生器314A包含有或非门322以及反相器324，反相器324会将切割信号Vck反相并据以输出反相信号Vinv，或非门322的一输入端是连接到切割信号Vck，而或非门322的另一输入端则是连接到反相信号Vinv，或非门322会藉由对这些输入信号执行或非运算操作来提取出切割信号Vck的上升沿并产生脉冲信号Veg。切割器312B和脉冲产生器314B的运作机制基本上和图5中所绘示的原理大致相同，唯一的差别在于输入和输出的信号不同。对于切割器312B和脉冲产生器314B来说，是将振荡信号Vxo输入切割器312B，且脉冲产生器314B所输出的信号是脉冲信号Veg’。
图6为依据本发明一实施例的能量供应级316的电路图。能量供应电路316A和能量供应电路316B都包含有两个开关(较佳实施方式为使用金属氧化半导体晶体管来实作)，来提供第一供应电压（VDD）或是第二供应电压（接地电压）给晶体单元302的两端，以间歇地将能量注入晶体单元302。然而在低电压设计中，脉冲信号Veg和脉冲信号Veg’的电压可能没有超过晶体管M7～M10的临界电压而无法使其全部导通来将能量注入晶体单元302，因此便需要一升压级（boosting stage）。
在一实施例中，能量注入模块310另包含有一升压级318，耦接于脉冲产生级314和能量供应级316之间。在差动注入机制之下，升压级318包含有一对升压器318A和升压器318B，升压器318A和升压器318B用来分别将脉冲信号Veg和脉冲信号Veg’转换为升压信号Vji和升压信号Vjo，其大约是该第一供应电压（VDD）的四到五倍，以导通晶体管M7～10。图7为依据本发明一实施例的升压器318A的电路图。请注意，此设计也适用于升压器318B。如图所示，脉冲产生器314A所产生的脉冲信号Veg用来触发一闩锁电路350，其中较佳实施方式为使用RS闩锁器(RS-latch)。RS闩锁器350的输出Vo和输出Vo’的转换会致能升压器318A。当RS闩锁器的输出Vo降低且RS闩锁器的输出Vo’升高时，信号Vsp和信号Vsn皆会下降。同时，当该闩锁信号产生电平转换(leveltransition)时，一升压电路370的电容C3～C6（之前由于信号Vsp和信号Vsn的高电位因此形成并联电容阵列）会被转换为串联电容串（由于信号Vsp和信号Vsn降为低电位），因此，会产生相当于该第一供应电压的四到五倍的一输出电压升压信号Vji。此外，一部分升压电压(partial-boosted voltage)Vrs会被反馈来重置RS闩锁器350以进行下一升压操作，其中该部分升压信号产生于该多个电容之间的一节点。一延迟电路360用来以不同的延迟量来延迟RS闩锁器350的输出Vo和输出Vo’，以确保在升压电路370中的P型金属氧化半导体晶体管M31～M38被导通之前，N型金属氧化半导体晶体管M21～M25保持在截止状态，这样一来便不会发生贯穿电流(shot through current)。
基于该晶体振荡器，本发明提出一种产生振荡信号的方法，包含有：
利用一晶体单元来振荡以产生该振荡信号；以及
间歇地将能量注入该晶体单元。
在一实施例中，间歇地将该能量注入该晶体单元的步骤包含有：
切割该振荡信号以产生至少一切割信号；
从该至少一切割信号抽取至少一脉冲信号；以及
依据该至少一脉冲信号来将该能量间歇地供应至该晶体单元。
依据以上关于晶体振荡器的实施例的说明和图示，已清楚地传达本发明的原理和操作细节。为简洁起见，在此省略相关方法的细节说明。
以上文中所提及的“一实施例”代表针对所述实施例所描述的特定特征、结构或者是特性包含于本发明的至少一实施方式中。再者，文中不同段落中所出现的“一实施例”并非代表相同的实施例。因此，尽管以上对于不同实施例描述时，分别提及了不同的结构特征或是方法性的动作，但应当注意的是，这些不同特征可通过适当的修改而同时实现于同一特定实施方式中。
本发明的目的之一在于提供一种晶体振荡器，其具有极低的功耗。本发明的另一个目的在于将功率/能量注入机制应用在晶体振荡器，其中该晶体振荡器的晶体单元被用来当作超高质量电感电容共振腔（ultra-high-Q LC tank）且能量被间歇地注入该电感电容共振腔以维持该晶体单元的振荡。相较于使用晶体单元来当作振荡电路（例如皮耳士振荡器）的反馈回路中的电感装置，本发明的能量注入机制相反地使用了较少的耗电被动元件（即皮耳士振荡器的负载电容和反馈电阻较为耗电），也不需要操作在线性区域的放大器，如此一来，本发明所提出的晶体振荡器可大幅地降低功耗，此外，上述切割级和升压级的相关机制藉由间歇地将能量注入上述晶体单元，也可以有效地降低功耗。因此，本发明克服了相关现有技术的问题。
本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。
Claims (23)
1.一种晶体振荡器，其特征在于，包含有：
晶体单元，用来振荡以产生振荡信号；以及
能量注入模块，耦接至该晶体单元，用来间歇地将能量注入该晶体单元。
2.如权利要求1所述的晶体振荡器，其特征在于，该能量注入模块包含有：
切割级，耦接至该晶体单元，用来接收并切割至少该振荡信号以产生至少一切割信号；
脉冲产生级，耦接至该切割级，用来接收该至少一切割信号，以及从该至少一切割信号抽取至少一脉冲信号；以及
能量供应级，耦接至该脉冲产生级，用来依据该至少一脉冲信号来间歇地将该能量供应至该晶体单元。
3.如权利要求2所述的晶体振荡器，其特征在于，该晶体单元具有第一端点；当该第一端点的电压电平升高时，该能量供应级提供高于该第一端点的电压电平的第一供应电压至该第一端点；以及当该第一端点的电压电平降低时，该能量供应级提供低于该第一端点的电压电平的第二供应电压至该第一端点。
4.如权利要求3所述的晶体振荡器，其特征在于，该晶体单元还具有第二端点；当该能量供应级将该第一供应电压供应至该晶体单元的第一端点时，该能量供应级供应该第二供应电压至该晶体单元的第二端点；以及当该能量供应级将该第二供应电压供应至该晶体单元的第一端点时，该能量供应级供应该第一供应电压至该晶体单元的第二端点。
5.如权利要求2所述的晶体振荡器，其特征在于，其中：
该切割级包含有一对切割器，具有第一切割器以及第二切割器，其中该第一切割器耦接至该晶体单元的第一端点，并且用来接收该振荡信号以产生第一切割信号，该第二切割器耦接至该晶体单元的第二端点，并且用来接收该振荡信号的反相信号以产生第二切割信号，其中该第二切割信号是该第一切割信号的反相信号；以及
该脉冲产生级包含有一对脉冲产生器，具有第一脉冲产生器以及第二脉冲产生器，其中该第一脉冲产生器耦接至该第一切割器，并且用来接收该第一切割信号以产生第一脉冲信号，以及该第二脉冲产生器耦接至该第二切割器，并且用来接收该第二切割信号以产生第二脉冲信号，其中该第二脉冲信号是该第一脉冲信号的反相信号。
6.如权利要求2所述的晶体振荡器，其特征在于，该切割级包含有：
耦合电路，具有第一输出端点以及第二输出端点，用来接收该振荡信号，以及将该振荡信号分别耦合至该第一输出端点以及该第二输出端点；
切割电路，耦接至该耦合电路，用来接收通过该耦合电路所耦合的该振荡信号，并依据该振荡信号产生该至少一切割信号；以及
偏压电路，耦接至该切割电路以及该耦合电路，用来提供偏压至该切割电路。
7.如权利要求6所述的晶体振荡器，其特征在于，该切割电路包含有：
第一晶体管，具有耦接至该耦合电路的第一输出端点的控制端点以接收该振荡信号，以及具有耦接至第一供应电压的第一端点；
第二晶体管，具有控制端点、第一端点以及第二端点，其中该第二晶体管的控制端点耦接至该耦合电路的第二输出端点以接收该振荡信号，该第二晶体管的第一端点耦接至该第一晶体管的第二端点，以及该第二晶体管的第二端点耦接至第二供应电压；以及
反相器，具有耦接至该第一晶体管的第二端点的输入端，用来依据该第一晶体管的第二端点所提供的信号而在输出端产生该至少一切割信号。
8.如权利要求7所述的晶体振荡器，其特征在于，该偏压电路包含有：
第一二极管连接形式晶体管，耦接于该耦合电路以及该第一晶体管之间，用来提供偏压至该第一晶体管；以及
第二二极管连接形式晶体管，耦接于该耦合电路以及该第二晶体管之间，用来提供偏压至该第二晶体管；
其中该第一晶体管以及该第二晶体管分别被偏压在不同的直流偏压点。
9.如权利要求2所述的晶体振荡器，其特征在于，该脉冲产生级包含有：
反相器，耦接至该切割级，用来接收该至少一切割信号，并且据以产生至少一反相切割信号；以及
或非门，耦接至该反相器以及该切割器，用来接收该至少一切割信号以及该至少一反相切割信号，以产生该至少一脉冲信号。
10.如权利要求2所述的晶体振荡器，其特征在于，该能量注入模块另包含有：
升压级，耦接于该脉冲产生级以及该能量供应级之间，用来对该至少一脉冲信号进行升压以产生至少一升压信号，其中该能量供应级依据该至少一升压信号来将该能量间歇地供应至该晶体单元。
11.如权利要求10所述的晶体振荡器，其特征在于，该升压级包含有一对升压器，具有第一升压器以及第二升压器，该第一升压器耦接至该脉冲产生级，用来接收该至少一脉冲信号的一脉冲信号以产生第一升压信号，而该升压器的该第二升压器耦接至该脉冲产生级，用来接收该至少一脉冲信号的一反相脉冲信号以产生第二升压信号，其中该第二升压信号是该第一升压信号的反相信号。
12.如权利要求10所述的晶体振荡器，其特征在于，该升压级包含有：
闩锁电路，耦接至该脉冲产生级，用来依据该至少一脉冲信号以及一部分升压信号来产生闩锁信号以及反相闩锁信号；以及
升压电路，具有多个电容，用来依据该闩锁信号以及该反相闩锁信号来产生该至少一升压信号，其中该部分升压信号产生于该多个电容之间的一节点。
13.如权利要求12所述的晶体振荡器，其特征在于，当该闩锁信号产生电平转换时，该升压电路的该多个电容从多个并联电容阵列转变为一串联电容串，进而产生该至少一升压信号。
14.如权利要求1所述的晶体振荡器，其特征在于，另包含有：
振荡起始电路，耦接至该晶体单元，用来触发该晶体单元开始振荡，其中当该能量注入模块间歇地将该能量供应至该晶体单元时，该振荡起始电路会被关闭。
15.一种产生振荡信号的方法，其特征在于，包含有：
利用晶体单元来振荡以产生该振荡信号；以及
间歇地将能量注入该晶体单元。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，间歇地将该能量注入该晶体单元的步骤包含有：
切割该振荡信号以产生至少一切割信号；
从该至少一切割信号抽取至少一脉冲信号；以及
依据该至少一脉冲信号来将该能量间歇地供应至该晶体单元。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，该晶体单元具有第一端点，且间歇地将该能量注入该晶体单元的步骤包含有：
当该第一端点的电压电平升高时，提供高于该第一端点的电压电平的第一供应电压至该第一端点；以及
当该第一端点的电压电平降低时，提供低于该第一端点的电压电平的第二供应电压至该第一端点。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，该晶体单元另具有第二端点，且间歇地将该能量注入该晶体单元的步骤另包含有：
当该第一供应电压被供应至该晶体单元的第一端点时，供应该第二供应电压至该晶体单元的第二端点；以及
当该第二供应电压被供应至该晶体单元的第一端点时，供应该第一供应电压至该晶体单元的该二端点。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，从该至少一切割信号抽取该至少一脉冲信号的步骤包含有：
接收该至少一切割信号，并且据以产生至少一反相切割信号；以及
对该至少一切割信号以及该至少一反相切割信号执行或非运算操作，以产生该至少一脉冲信号。
20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，另包含有：
对该至少一脉冲信号进行升压以产生至少一升压信号；以及
依据该至少一升压信号来将该能量间歇地供应至该晶体单元。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，对该至少一脉冲信号进行升压以产生该至少一升压信号的步骤包含有：
依据该至少一脉冲信号以及一部分升压信号来产生闩锁信号以及反相闩锁信号；以及
利用具有多个电容的升压电路来依据该闩锁信号以及该反相闩锁信号来产生该至少一升压信号，其中该部分升压信号产生于该多个电容之间的一节点。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，利用具有该多个电容的该升压电路来产生该至少一升压信号的步骤包含有：
当该闩锁信号发生电平转换时，该升压电路的该多个电容从多个并联电容阵列转变为一串联电容串，进而产生该至少一升压信号。
23.如权利要求15所述的方法，其特征在于，另包含有：
利用振荡起始电路来触发该晶体单元开始振荡；以及
当间歇地将该能量注入至该晶体单元时，关闭该振荡起始电路。
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