CN104285374A - 晶体或陶瓷振荡器的时钟发生器和其过滤系统 - Google Patents

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Abstract

公开了具有振荡器设备的时钟发生器。该时钟发生器可以包括信号调节预滤波器和比较器。信号调节器可以具有输入端，用于从所述振荡器设备的信号，并且可以包括高通滤波器组件和低通滤波器组件。高通滤波器部件可以通过输入振荡信号的振幅和频率分量，但拒绝该振荡信号的共模分量。取而代之，高通滤波器组件进一步可在本地生成它自己的共模分量，其上高频分量被叠加。低通滤波器组件可产生表示第一输出信号的本地产生的共模分量的第二输出信号。时钟发生器可以具有比较器作为输入级，其耦合到所述滤波器结构的第一和第二输出。

Description

晶体或陶瓷振荡器的时钟发生器和其过滤系统
背景技术
本发明的实施例涉及集成电路的时钟发生器，并具体而言，涉及节省电力并提供稳定操作的时钟发生器。
现代加工系统采用依赖时钟信号用于定时和同步的集成电路。通常，这些时钟信号由振荡器设备提供，诸如基于晶体振荡器或基于陶瓷谐振器的振荡器。当集成电路向晶体或陶瓷谐振器提供激励信号时，该设备通过产生在预定频率振荡的响应信号进行响应。
图1示出两种不同的振荡器结构。在图1(a)中，振荡器被示为包括晶体XTAL、反相器INV以及偏置电阻RBIAS，每个平行连接到另一个。晶体XTAL是响应于激活信号产生振荡信号的材料，其由反相器INV施加。电阻RBIAS是电阻器，其设置逆变器的工作点的共模偏差，并增加其增益。图1(a)示出一对电容器COSC1、COSC2，其中每一个连接在地面和晶体XTAL的相应端之间。电容器COSC1、COSC2可以在振荡器的工艺、电压和/或温度变化方面提供稳定性。典型地，晶体XTAL、电阻RBIAS和电容器COSC1、COSC2是驻留在集成电路之外的分立元件，其产生时钟信号。逆变器可驻留在集成电路内。
变频器是在工作期间仅消耗电力的有源电路元件。逆变器的输出通常包括未调节的电流，在许多情况下，其超过驱动晶体XTAL所需电流的量。因此，图1(a)的振荡器电路不是高能效的结构。
如同在图1(a)结构中，在图1(b)中，振荡器被显示为包括晶体XTAL、偏置电阻RBIAS和电容器COSC1、COSC2。并非包括图1(a)结构的逆变器INV，图1(b)的结构包括由晶体管TR1和偏置电流源IBIAS形成的导体级。电流源IBIAS提供晶体管上的偏置，其设置围绕晶体XTAL的增益。在某些情况下，电流源可以提供恒定电流到偏置晶体管，但是在其他情况下，该电流源可以在操作期间动态地改变。在后一种情况下，该振荡器可以由振幅控制系统进行控制，其基于在晶体XTAL检测出的振幅(XTAL1)而改变由电流源输出的电流。
电流的动态变化可以在振荡器运行期间实现良好的电流保护。当振荡器首次接合时，TR1由比较大的电流偏置以提供晶体XTAL的良好响应。当振荡器达到稳态操作时，晶体振荡可由较低幅度的驱动电流来维持。
图1(b)还示出了可以具有振荡器的时钟发生器电路。时钟发生器包括电阻电容滤波器结构和级联耦合的一个或多个逆变器。在操作过程中，晶体在XTAL引脚上产生信号XTAL1，其具有大体的正弦字符。XTAL1信号AC耦合到逆变器。在理想的操作情况下，在逆变器的输入的电压应关于逆变器的触发点振荡。逆变器将通过产生二进制输出信号而响应在其输入端呈现的一般正弦输入信号，该信号具有匹配于正弦波信号的频率。
本发明人已确定：用于驱动振荡器的电流源的动态变化可以导致输入到时钟发生器内部的逆变器的信号共模工作点的变化。共模工作点的变化可导致产生不具有50％占空比的时钟信号输出。在极端情况下，它可以导致完全损失输出时钟信号。因此，本发明人确定需要在其输入信号上存在共模变化时可靠地产生输出时钟信号的时钟发生器。此外，本发明人认识到本领域需要使用电流控制振荡器可靠工作的时钟发生器。
附图简述
图1包括示出普通振荡器设备配置的两个电路。
图2是根据本发明实施例的集成电路的电路图。
图3-5是示出可由图2的电路结构产生的信号波形的曲线图。
发明详述
本发明实施例可以提供用于振荡器设备的时钟发生器，其包括滤波器结构和比较器。该滤波器结构可以具有从振荡器设备的信号输入端，并且可以包括高通滤波器组件和低通滤波器组件。高通滤波器组件可以通过所希望幅度和频率分量的输入振荡器信号，但拒绝振荡器信号的任何不希望的共模分量。相反，该滤波器结构可以在本地生成它自己的共模分量，在其上所希望的高频分量被叠加。低通滤波器元件可产生第二输出信号，其表示第一输出信号的本地产生的共模分量。该时钟发生器可以具有比较器作为输入级，其耦合到滤波器结构的第一和第二输出。
为了本讨论的目的，振荡器信号的“高频”分量可认为是发生在振荡器设备被设计成的频率的振荡器信号的部分，以提供给集成电路。例如，常见的晶体振荡器电路通常围绕相对较少的标准频率进行设计，诸如3.5795兆赫、3.6864兆赫、4.4336兆赫、10兆赫、14.3181兆赫、17.7344兆赫、20兆赫、26兆赫、33.33MHz和40MHz。与此相反，振荡信号的“共模”分量是振荡器信号的部分，其以比高频分量低得多的频率操作，例如，DC(0兆赫)分量和接近DC的频率。
图2示出了根据本发明实施例的集成电路200。该集成电路200可包括信号调节电路210、时钟发生器220和任选地电流控制器230。信号调节器210可以具有从振荡器设备240的信号(XTAL1)的输入端，其如所讨论地可以具有共模分量，当在振荡器装置240中的偏置电流IBIAS变化时，该共模分量也变化。信号调节器210可以产生两个输出到时钟发生器220：第一输出信号(节点“N1”)，其包含从振荡器装置240接收的输入信号XTAL1的高频成分和本地产生的共模分量，以及第二输出信号(节点“N2”)，其包括N1信号的本地产生共模分量。时钟发生器220可以包括输入级，用于比较从信号调节器210的两个输出信号。电流控制器230可从信号调节器210的第一输出端产生电流控制信号IBIAS Ctrl。
在操作期间，时钟发生器220可从由信号调节器210输出的两个信号的比较产生时钟信号。因为两个输出信号应携带类似的共模成分，即使当由于例如温度和/或制造变化模式组件在低频变化，时钟发生器220可以精确地工作。该在结点N1的信号的高频成分应当在由振荡器设备240确定的频率的当地共模分量变化。因此，图2的电路结构可利用基于晶体和陶瓷谐振器的振荡器设备相关精度的优势，并避免在这些设备中和共模漂移等相关的问题。
电流控制器230可接收来自节点N1的输入，并且可以生成电流控制信号IBIAS Ctrl以与输入信号的变化成反比地变化。即，当在节点N1的输入信号具有相对小的幅度时，电流控制信号IBIAS Ctrl可诱导在振荡设备240中的偏置电流具有相对大的振幅；典型地，在节点N1上的小幅度输入信号发生在集成电路供电，以及晶体开始振荡。当在节点N1的输入信号具有相对大的幅度时，电流控制信号IBIAS Ctrl可诱导在振荡设备240的偏置电流具有相对小的幅度；典型地，当晶体接近稳态操作条件时，在节点N1的大振幅输入信号发生。通过以与在节点N1的输入信号成反比变化的方式减少在振荡设备240中的偏置电流，本身就代表晶体的整个信号，该设计节省了功率。
在一个实施例中，信号调节器210可以包括在源极到漏极的路径上由第一电容器C1、晶体管TR1、电阻R1和第二电容器C2(耦合到XTAL1信号和接地端)和晶体管TR1(延伸在节点N1与地之间)的串联组合而形成的滤波器结构212。信号调节器210进一步可包括电流源I1，它提供电流到节点N1以偏置晶体管TR1。可以从电阻R1的各端子获取N1和N2输出信号。滤波器结构212可提供多种功能到集成电路200。首先，电容器C1和晶体管TR1可以形成具有拐角频率的高通滤波器结构，其足以通过晶体的振荡频率(频率XTAL1)，但拒绝XTAL1的任何共模分量。当从信号调节器的C1看到节点N1，C1呈现1/Gm TR1的输入阻抗，其中GmTR1表示TR1的跨导。滤波器结构的高通转角频率可通过GmTR1/(C1)来确定。在节点N1的电压可以具有本地建立的共模值，但是它会显示出由XTAL1信号所确定的幅度和频率的电压摆幅。
其次，电容器C2和电阻器R1可以形成低通滤波器，其传递在节点N1上的电压共模分量，但拒绝高频分量。本质上，低通滤波器结构在节点N2产生表示节点N1的共模的电压。节点N2的电压可控制TR1晶体管的电导，它提供了在信号调节器210的反馈路径，以确保在节点N2的电压的任何变化也引起在节点N1的共模分量的相应变化，到信号调节器210的固有RC特性不足以诱发这种变化本身的程度。
在一个实施例中，滤波器212可以使用偏置晶体管(未示出)来代替电阻器R1。在这种情况下，晶体管可以由控制电压(也未示出)进行偏置，用于设置晶体管为预定的电导。因此，晶体管将提供滤波器结构的阻抗，就像电阻器提供并设置滤波器结构212的RC特性。
图2以简化的方框图示出时钟发生器220。时钟发生器220可以包括各种处理阶段以生成和验证时钟信号。为了本讨论的目的，足以注意到，时钟发生器220的输入级222可以被提供作为比较器，其从信号调节器210的节点N1和N2获取输入。如讨论地，在节点N1的信号可以代表具有XTAL1输入信号的振幅和频率的正弦曲线，其关于本地共模电压而变化。节点N2的信号可表示在节点N1的信号的共模电压。在比较器222，节点N1和N2的信号中的共模分量应该空出来，并且比较器222应该产生具有匹配XTAL1信号的频率和占空比的方波输出信号。
在某些实施例中，时钟发生器220可以包括其它处理阶段，表示为图2中的224，以验证时钟输出和确认可靠性。这些后面的加工阶段在复杂性和结构中有所变化，其细节对本公开是不重要的。本发明的原理应用于它们所有。
在实施例中，电流控制器230可包括其自己的滤波器结构232和一对叠置晶体管TR2、TR3，其提供在VDD和地之间的导电路径中。滤波器结构232被示为包括偏压晶体管TR4和从节点N1延伸至地的电容器C3，但其它实施例是可能的。晶体管TR4可以作为非线性信号相关的电阻，并提供阻抗到滤波器232。
叠层晶体管TR2、TR3可提供IBIAS Ctrl信号到振荡器设备240。在图2所示的配置中，晶体管TR3的栅极耦合到滤波器结构232中的中间节点VGTR3。晶体管TR2的栅极耦接至TR2和TR3中间。晶体管TR2示出连接到在电流镜配置中的振荡器设备240的电流提供晶体管TRCURR。在本实施例中，当电流控制器230产生电流通过晶体管TR2和TR3(示为IBIASRef)，电流镜像转移到振荡器设备240，作为IBIAS电流。
在操作期间，振荡器装置240可诱导在节点N1的电压，其振幅模仿XTAL1信号的振幅。滤波器结构232可产生在晶体管TR3的输入栅极VGTR3的电压，其成比例但极性相反于在节点N1的电压振幅。电压VGTR3控制晶体管TR3，其调制IBIAS Ref电流。IBIAS Ref电流反过来可调制在振荡设备240中的IBIAS电流。因此，电流控制器230可控制在振荡设备240中的IBIAS电流，以成反比于XTAL1信号的振幅变化。
尽管图2示出了IBIAS Ref电流和IBIAS电流之间的一对一的对应关系，本发明的原理可以应用于其他的比率。例如，电路设计人员可以发现可以方便地提供一对多的电流镜结构，其中晶体管TR2连接到在振荡器设备240中的多个电流设置晶体管(例如，多个TRCURR晶体管)，以及其中振荡器装置240晶体管的电流被合并到一起。在这种结构中，IBIAS Ref电流的递增变化可引起IBIAS电流的N倍变化，其中N表示振荡器设备240中的电流提供晶体管的数目。
类似地，电路设计者可以发现方便地提供到多对一电流镜结构，其中多个TR2晶体管被提供并耦合到振荡器设备240中的仅单个电流提供晶体管。在该结构中，当通过所有TR2晶体管的总电流变化时，它可以1/Nth的幅度诱导在振荡器设备240的电流提供晶体管TRCURR的相应变化。
其他电路配置是可能的。对于某些使用情况，电路设计人员可发现方便地输入XTAL1信号直接到电流控制器230，而不是获取节点N1的输入。在这样的配置中，XTAL1信号的共模变化可在一定程度影响电流控制器230的操作。不过，这些配置都在本发明的精神和范围内。
图3示出从模拟获得的时序图，描述图2的集成电路200的操作。图3(a)是互相叠加XTAL1和XTAL2信号的图表。图3(b)是叠加N1和N2信号的曲线图。图3(c)示出在振荡器设备中IBIAS电流的控制。图3(d)示出时钟发生器内比较器222的输出。XTAL1、XTAL2、N1和N2信号的各个振荡在图3示出的时间刻度是感觉不到的；然而，图3用于比较它们之间的共模变化并描述集成电路200的性能。
如图3所示，振荡器设备可在时间＝10微秒被接合。此时，IBIAS电流源在其最高电平接合，提供电流到晶体XTAL1。晶体几乎立即开始但以图3中不可察觉的幅度振荡。晶体振荡开始在时间＝1.2毫秒显着增加，其诱导IBIAS电流的变化。如图3(b)和图3(c)所示，从时间＝1.2毫秒至时间＝3.6毫秒，IBIAS信号从最大电平～250μA降到约30微安的电平。IBIAS中的该下降诱导XTAL1和XTAL2的共模电压从大约0.9伏到0.5伏的相应下降。
相反，在结点N1和N2的信号表现出共模电压N2可以忽略的变化。在节点N2的电压在图3所示的整个时间段保持基本上是恒定的。当XTAL1上的电压变化时，节点N1的电压以振幅变化，但围绕实质和节点N2相同的共模电压为中心。N1和N2信号驱动时钟发生器的输入级比较器并导致COMP OUT输出，如图3(d)中所示。
在图3(d)的例子中示出比较器的输出信号已设计具有～200mV的磁滞，因此任何信号摆幅小于当比较器过渡时不被检测地。该实施例存在跳闸比较器的噪音，并进一步确保在其输出作为集成电路的时钟源之前在晶体已建立令人满意的振荡幅度。在这样的滞后没有被设计成比较器的实施例中，比较器可在早于图3(d)所指示的时间产生输出信号。
图4和5是说明在时间刻度N1和N2信号和COMP OUT信号之间关系的模拟波形，其中各个振荡是可察觉的。图4示出其中在每个信号的共模分量中没有任何变化的理想化情况。图5示出其中N1和N2信号具有变化的共模的情况；共模变化的频率和振幅被放大，以更好地解释本发明的原理。
如上面所讨论地，N1信号呈现为以本地产生的共模电压为中心的正弦变化。N2信号表示N1信号的共模电压。在图4(a)所示的理想化情况中，共模电压没有变化，当N1信号超过N2信号时，输入级比较器将生成“1”，否则“0”。图4(b)示出是50％占空比的时钟信号的输出。
在图5的夸张情况中，N1信号被示出以本地产生的共模电压为中心的正弦曲线，其也呈现正弦变化。N2信号表示N1信号的共模电压。再次，当N1信号超过N2信号时输入级比较器产生“1”，和否则为“0”。如图5(b)所示，即使不同的共模电压出现时，输入级比较器可产生50％占空比的时钟信号。
图2所示系统应用于各种振荡器设备240。在图2所示的配置中，振荡器设备240可包括晶体XTAL、偏置电阻RBIAS和电容COSC1、COSC2。振荡器设备240还可以包括由增益晶体管TRG形成的导级，和由TRCURR晶体管形成的电流源。电流源晶体管TRCURR可以提供偏置电流到晶体管TRG，其围绕晶体XTAL设置增益。如所讨论地，电流源晶体管TRCURR可以耦合到电流镜配置中的电流控制器230的晶体管TR2。
晶体XTAL、偏置电阻RBIAS和电容器COSC1、COSC2可以提供作为独立于集成电路200的分立器件，其上提供信号调节器210、时钟发生器220和电流控制器230。TRG和TRCURR晶体管也可提供在集成电路200内。图2示出了各种引脚P，示出集成电路200和振荡器装置240的分立设备XTAL、RBIAS、COSC1和COSC2之间的连接点。
尽管图2示出集成电路200操作基于晶体的振荡器，本发明的原理并不受此限制。该集成电路200还应用于基于陶瓷谐振器的振荡器设备。
本文具体说明和/或描述多个实施例。然而，应当理解，本发明的修改和变化都包括在上述教导以及所附权利要求的范围内，而不脱离本发明的精神和所希望的范围。

Claims (20)

1.一种用于振荡器设备的装置，包括：
信号调节器，具有用于从振荡器设备的信号的输入，所述信号调节器包括：
高通滤波器组件，其构成以通过振荡信号的振幅和频率分量，但拒绝振荡信号的共模分量，所述高通滤波器组件进一步经构造以产生第一输出信号，其包括关于本地产生的共模分量信号的振荡信号的振幅和频率分量；
低通滤波器组件，经构造以产生第二输出信号，其表示本地产生的共模分量；以及
时钟发生器具有输入比较器，所述比较器具有耦合到信号调节器的第一和第二输出的输入端。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述信号调节器和时钟发生器提供在共同的集成电路中，其独立于振荡器设备。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述高通滤波器具有低于振荡器的操作频率的角频率。
4.如权利要求1所述的装置，进一步包括幅值控制装置，包括：
控制器滤波器，具有输入端耦合到所述信号调节器的第一输出，所述控制器滤波器经构造以产生输出信号，其与输入端信号的振幅成反比，
控制信号发生器，具有输入端耦合到所述控制器滤波器输出，以产生用于输出到振荡器设备的电流控制信号。
5.如权利要求4所述的装置，其中控制器滤波器是电阻/电容滤波器。
6.如权利要求4所述的装置，控制器滤波器包括具有预定电导和电容的晶体管。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述高通滤波器组件和低通滤波器组件由第一电容器、电阻器和第二电容器的串联组合而形成。
8.如权利要求1所述的装置，进一步包括幅值控制器，包括：
控制器滤波器，具有用于从振荡设备的信号的输入端，所述控制器滤波器经构造以产生输出信号，其与输入端信号的振幅成反比，
控制信号发生器，具有输入端耦合到所述控制器滤波器输出，以产生用于输出到振荡器的电流控制信号。
9.一种从振荡器设备产生时钟的方法，包括：
高通滤波来自振荡器设备的输入信号，以产生具有频率和振幅的第一输出信号，反映振荡信号的频率和振幅，但具有独立生成的共模分量，
低通滤波第一输出信号以产生第二输出信号，其具有表示第一输出信号的共模分量的共模，并
从所述第一和第二输出信号的比较产生时钟信号。
10.如权利要求9所述的方法，进一步包括用于在振荡器设备中控制电流消耗的方法，包括：
过滤所述第一输出信号以产生中间控制信号，其成反比于输入信号的振幅变化，
从中间控制信号产生电流控制信号，并
输出所述电流控制信号到振荡器设备。
11.如权利要求9所述的方法，其中，所述振荡器设备具有特征工作频率，以及所述高通滤波具有低于振荡器设备的工作频率的角频率。
12.用于振荡器设备的时钟发生器，包括：
信号调节器，具有输入用于从振荡器设备的信号，所述信号调节器包括：
在从输入到电压基准的电路路径上提供的第一电容器、电阻器、和第二电容器，
晶体管，具有漏极端子连接到所述电阻器的第一端子，栅极端子耦合到所述电阻器的第二端子，以及源极耦合到所述电压参考，和
电流源，耦合到所述晶体管的漏极；和
比较器，具有一对输入端，分别耦合到所述电阻器的各个端子。
13.如权利要求12所述的时钟发生器，其中，所述信号调节器和比较器提供在共同的集成电路上，独立于振荡器设备。
14.如权利要求12所述的时钟发生器，其中，所述第一电容器、电阻器和晶体管形成具有低于振荡器的操作频率的角频率的高通滤波器。
15.如权利要求12所述的时钟发生器，其中所述第二电容器和电阻器形成低通以在具有共模的电阻器的第二端子产生信号，表示存在于电阻器的第一端子的信号的共模分量。
16.如权利要求12所述的时钟发生器，进一步包括幅值控制器，包括：
控制器滤波器，具有耦合到电阻器的第一端子的输入端，所述控制器滤波器经构造以产生输出信号，其与输入端信号的振幅成反比，
控制信号发生器，具有输入端耦合到所述控制器滤波器输出，以产生用于输出到振荡器的电流控制信号。
17.如权利要求16所述的时钟发生器，其中，所述控制器滤波器是电阻/电容滤波器。
18.如权利要求16所述的时钟发生器，其中，所述控制器滤波器包括具有预定电导和电容的晶体管。
19.如权利要求12所述的时钟发生器，进一步包括幅值控制器，包括：
控制器滤波器，具有用于从振荡设备的信号的输入端，所述控制器滤波器经构造以产生输出信号，其与输入端信号的振幅成反比，
控制信号发生器，具有输入端耦合到所述控制器滤波器输出，以产生用于输出到振荡器的电流控制信号。
20.一种用于振荡器设备的装置，包括：
滤波器结构，具有输入用于从振荡器设备的信号，该滤波器结构包括：
高通滤波器组件，其构成以通过振荡信号的振幅和频率分量，但拒绝振荡信号的共模分量，所述高通滤波器组件进一步经构造以产生第一输出信号，其包括关于本地产生的共模分量信号的振荡信号的振幅和频率分量；
低通滤波器组件，经构造以产生第二输出信号，其表示本地产生的共模分量；
振幅控制器，包括：
控制器滤波器，具有耦合到滤波结构的第一输出的输入端，所述控制器滤波器经构造以产生输出信号，其与输入端信号的振幅成反比，
控制信号发生器，具有输入端耦合到所述控制器滤波器输出，以产生用于输出到振荡器的电流控制信号；以及
时钟发生器具有输入比较器，所述比较器具有耦合到信号调节器的第一和第二输出的输入端。
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