CN106571789B - 用于激励振荡器的方法、激励电路及其电子电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于激励振荡器(3)的激励电路(11)。所述激励电路(11)包括：包括第一端和第二端的第一电感器(LD)；连接至所述第一端的电能量源(13)；以及连接至所述第二端并连接至振荡器的开关电路。所述开关电路被配置成至少运行在关闭状态和开启状态，在所述关闭状态下其被配置成不向振荡器(3)提供电能，在所述开启状态下其被配置成向振荡器(3)提供电能。所述第一电感器(LD)布置成当开关电路处于关闭状态时将能量存储在其磁场中，当开关电路处于开启状态时，开关电路布置成利用存储在磁场中的能量的至少一部分将电流冲击从电能量源(13)传送至振荡器(3)。

Description

用于激励振荡器的方法、激励电路及其电子电路
技术领域
本发明涉及用于激励振荡器电路—诸如手表中使用的晶体振荡器—的激励电路领域。本发明还涉及一种包括该激励电路和振荡器的电子电路以及用于激励该振荡器的方法。
背景技术
图1的电路图示出了包括代表晶体振荡器的电路3和用于激励晶体振荡器3的现有技术激励电路5的电子电路1。如图可见，晶体振荡器由第一电容器C1、第二电容器C2、振荡器电感器LO、电阻器RO、第三电容器C3以及与第二电容器、线圈和电阻器并联的第四电容器C4构成。第一和第三电容器的一个电极接地。在图1的电路中，激励电路由逆变器电路7构成。这种激励电路目前被广泛用于激励例如晶体振荡器。逆变器电路7可以包括例如至少一个n型金属氧化物半导体(MOS)晶体管和p型MOS晶体管。晶体振荡器和激励电路连接以形成诱发振荡的正反馈电路。
图2的信号图示出了图1的电子电路1的信号特性。应当注意，为了更好地图示结果，省略了电阻器RO。第一(顶端)图表示出了随时间变化的第二电容器C2的电压。换而言之，该图表示出了晶体振荡器的振荡。第二图表示出了激励电路随时间的输出电流，而第三图表示出了激励电路输出电压。图1的激励电路5激励晶体振荡器3进行完整的半周振荡。在图2的第二图表中可见，来自激励电路的电流在半个振荡周期内朝两个方向流动，这意味着晶体振荡器3的振荡器电感器LO中的能量不会增大并且晶体振荡器两端的电压不会增大。假设在理想状态下，即，在无电阻且每个部件理想的状态下，则由激励电路5提供的电流必定在激励电路5中耗散。在理想的应用中，这意味着能量在激励电路5的晶体管的寄生电阻中耗散。
由此清楚的是，图1中所示的电子电路就功率消耗而言不是最佳的。更具体而言，从激励电路5流出的电流与晶体振荡器3的电流不同相，这造成了激励电路5的晶体管中的功率损耗。由于在逆变器7的每次开关转换期间可能在逆变器7中流动的瞬时但巨大的电流，可能导致另外的问题。如果逆变器包括如上所述的NMOS-PMOS晶体管对，则可能出现这种转换电流尖脉冲，其中当NMOS管和PMOS管都暂时导通时，该晶体管对实际出现短路。
发明内容
本发明的一个目标为克服与振荡器激励电路有关的上述问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于激励振荡器的激励电路，所述激励电路包括：
-包括第一端和第二端的第一电感器；
-连接至所述第一端的电能量源；以及
-连接在所述第二端与振荡器之间的开关电路，所述开关电路被配置成至少运行在关闭状态和开启状态，在所述关闭状态下所述开关电路几乎不向振荡器传送电能，在所述开启状态下所述开关电路向振荡器传送电能，所述开关电路包括第一开关和第二开关，
其中，所述第一电感器布置成当开关电路处于关闭状态时将能量存储在其磁场中，当开关电路处于开启状态时，所述开关电路布置成利用存储在磁场中的能量的至少一部分将电流冲击从电能量源传送至振荡器，
其中，所述第一开关为第一NMOS晶体管并且所述第二开关为第二PMOS晶体管，并且
其中，第一NMOS晶体管和第二PMOS晶体管的栅极连接至振荡器的一公共节点，第一NMOS晶体管的漏极和第二PMOS晶体管的源极连接至第一电感器的第二端，并且其中，开关电路被配置成在公共节点处的电势大于第一阈值时处于关闭状态，而在所述第二端与公共节点之间的电势差大于第二阈值时处于开启状态，第一NMOS晶体管的源极接地，第二PMOS晶体管的漏极连接至振荡器。
所提出的新方案具有的优点是：激励电路的操作比用于振荡器的现有激励电路更节能。这通过防止短路电流并且通过以与振荡器的振荡同相的方式激励振荡器来实现，如下文将更详细地描述的。
优选地，所述第二阈值高于所述第一阈值。
优选地，第一阈值和第二阈值为正电压。
优选地，第一阈值和第二阈值在0V到1V之间。
优选地，所述电能量源包括恒压源。
根据本发明的第二方面，提供了一种包括激励电路和由该激励电路激励的振荡器的电子电路。
有利地，所述振荡器包括第二电感器和与所述第二电感器串联的电容器，所述第二电感器包括第三端和第四端，并且其中，第二PMOS晶体管的漏极连接至所述第三端。
有利地，第一NMOS晶体管和第二PMOS晶体管的栅极连接至所述第四端。
有利地，所述开关电路的运行被配置成由第四端处的电势控制。
根据本发明的第三方面，提供了一种通过根据本发明的激励电路来激励振荡器的方法，所述方法通过经由第一电感器以如下的方式将电能从电能量源供应至振荡器：即，使得在振荡器处于非接收状态的振荡周期的第一阶段，利用电能量源向所述第一电感器供能，并且使得在振荡器处于能量接收状态的振荡周期的第二阶段，利用在第一阶段存储于所述第一电感器中的能量的至少一部分将电流冲击从电能量源传送至振荡器。
附图说明
根据参考附图对非限制示例性实施例的如下说明，本发明的其它特征和优点将变得明显，在所述附图中：
图1为示出了包括晶体振荡器和用于激励该晶体振荡器的激励电路的现有电子电路的电路图；
图2为示出了图1的电子电路中的信号特性的信号图；
图3为示出了包括晶体振荡器和用于激励该晶体振荡器的根据本发明的一个实施例的激励电路的电子电路的电路图；以及
图4为示出了图3的电子电路中的信号特性的信号图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的一个实施例。本发明将针对用于激励晶体振荡器(也称为手表的石英晶体)的激励电路的情况来进行描述。然而，所公开的激励电路并不限于被用在晶体振荡器的情况下。不同附图中出现的相同或对应的功能性与结构性元件用同样的附图标记来表示。
类似于图1，图3示出了包括晶体振荡器3(或者更准确地讲是代表晶体振荡器3的电路)的电子电路9。然而，在图3的晶体振荡器中，省略了电阻器RO。如图可见，根据该实施例的激励电路11不同于图1的激励电路5。激励电路11包括电能量源13，在该示例中为恒压源13，该恒压源13连接在大地与激励电感器LD(也称为第一电感器)的第一端之间。激励电感器的第二端连接至开关电路，该开关电路也连接至晶体振荡器3，如图3中所示。该示例中的开关电路包括第一开关17和第二开关19。在该示出的示例中，第一开关为NMOS晶体管17，而第二开关为PMOS晶体管19。
如图3中可见，NMOS晶体管17的漏极连接至激励电感器LD的第二端，而NMOS晶体管17的源极接地。NMOS晶体管的栅极连接至晶体振荡器3，并且更特别地连接至位于振荡器电感器LO(也称为第二电感器)与第二电容器C2之间的第一节点21。PMOS晶体管的源极连接至激励电感器LD的第二端，而PMOS晶体管19的漏极连接至晶体振荡器3，并且更具体地连接至位于振荡器电感器LO与第三电容器C3之间的第二节点23。PMOS晶体管的栅极连接至第一节点21。
在本说明书中，当NMOS晶体管17的栅-源电压为正时，并且更具体而言，当NMOS晶体管17的栅极电压大于第一阈值，例如对地电压0.5V，则该NMOS晶体管17导通(即，从漏极到源极的通路导电)。在本说明书中，另一方面，当PMOS晶体管19的源-栅电压接近或大于约0.6V的第二阈值时，所述PMOS晶体管19导通(即，从源极到漏极的通路导电)。在此特定情况下，第二阈值大于第一阈值。这意味着在短时间段内NMOS和PMOS晶体管可以都导电。
接下来，更详细地阐述电子电路9的运行。在初始状态下，当没有电能供应至晶体振荡器3时，晶体振荡器3的电容器放电并且晶体振荡器内无电流流过。在该阶段NMOS和PMOS晶体管17、19的栅极电压为0V，并且仅PMOS晶体管导电。换而言之，开关电路处于开启状态。当电压源13接通时，电流开始流经激励电感器LD并且经由PMOS晶体管19的源-漏极导电通路流至晶体振荡器3。在这个时候，电流开始在晶体振荡器3内流动，并且电容器C1、C2、C3、C4开始充电。同时，NMOS和PMOS晶体管17、19的栅极电压开始升高。这还意味着，随着NMOS晶体管17导通，PMOS晶体管19截止，从而使得电流不再流至晶体振荡器3，而是相反经由NMOS晶体管17的漏-源极导电通路流至大地。在这种状态下，开关电路处于关闭状态。当NMOS晶体管17导通时，流过激励电感器LD的电流将能量临时存储在磁场中，例如其线圈中。激励电感器LD由此处于充电或供能状态。
从而，晶体振荡器现在借助一开始就提供给它的能量而开始振荡。这意味着NMOS晶体管17再次截止，而PMOS晶体管19导通，并且磁场能量随着额外的电流流过PMOS晶体管19而输送至晶体振荡器3中的第二节点23，以对晶体振荡器中的电容器充电。换而言之，在这个时候，存储在磁场中的能量将电流从电压源13“推”向晶体振荡器3。这个时候，激励电感器LD由此处于放电或非供能状态。于是，随着NMOS晶体管17导通，PMOS晶体管19再次截止。在晶体振荡器3继续振荡的情况下，将根据给定的顺序重复上文所阐述的运行。
图4的信号图示出了图3的电子电路中的信号特性。图4的图表中的两条竖直线示出了完整的信号周期的持续时间。第一(顶端)图表示出了通过激励电感器LD的电流的变化。从顶端数的第二图表示出了晶体振荡器电压(即，第一节点21处的电势)的变化。在该节点测得的电势也大致相当于第一和第二晶体管17、19的栅极处的电势。从顶端数的第三图表示出了在晶体振荡器3中流通的电流，即，流经振荡器电感器LO的电流的大小。最后，最后的图表示出了晶体振荡器的电压，即，第三电容器C3两端的电压。应当注意，图4中的数值仅是示例性的并且忽略了晶体振荡器3中的电阻。在该示例中，由恒压源13维持的电压大约为3V。
鉴于上文的阐述，NMOS和PMOS晶体管的运行可以被粗略地描述成：在晶体振荡器电压的正半周期内，NMOS晶体管17导通，PMOS晶体管19截止(图4中从顶端数的第二图表)；反之在晶体振荡器电压的负半周期内，NMOS晶体管17截止，PMOS晶体管19导通。因此，在晶体振荡器电压的正半周期内，磁场能量增大，而当晶体振荡器电压变为负时(图4中的第二图表)，电荷由激励电感器LD的磁场推至第三电容器C3中(图4中的最后的图表)，从而帮助振荡器电感器LO再次增大其电压(图4中的第二图表)。
如上文所述，根据本发明，能量被临时存储在激励电感器LD中。利用这种方式，可以避免现有技术激励电路中出现的短路电流，因为能量被存储在激励电感器LD中而非存储至大地。此外，借助存储在激励电感器LD中的能量，来自电压源13的电能与晶体振荡器的振荡同步地(即，同相地)被输入至晶体振荡器3。这意味着电能仅在给定的时间片刻才被提供给晶体振荡器3，并且更特别地，仅当第一节点21处的电势低于第二阈值时才被提供给晶体振荡器3。因此，根据本发明，仅当晶体振荡器准备好接收来自激励电路11的电流时才用该电流供应晶体振荡器3。换而言之，根据本发明激励电路11与晶体振荡器3同相，并且晶体振荡器3不会逆着晶体振荡器3的电流流动受到激励。应当注意，馈送感应系数(feedinductance)连同振荡频率和恒压源13的电压一起确定了每个周期输送给振荡器3的能量大小。因此，馈送感应系数的值可能需要根据频率或者根据特定的振荡器来进行调节。
本发明还涉及一种通过经由激励电感器LD以如下方式将电能从电能量源13供应至振荡器3的激励晶体振荡器3的方法：即，使得在振荡器3处于非接收状态的振荡周期的第一阶段，利用电能量源13向激励电感器LD供能，并且使得在振荡器处于能量接收状态的振荡周期的第二阶段，利用在第一阶段存储于激励电感器LD中的能量的至少一部分将电能/电流冲击(surge of current)从电能量源13传送至振荡器3。
虽然在附图和前述说明中详细地图示和描述了本发明，但是这些图示和说明应当被看作是说明性或示例性而非限制性的，本发明并不限于所公开的实施例。当基于对附图、公开内容和所附权利要求的研究而实施要求保护的本发明时，本领域技术人员应当理解并且可以实现其它实施例与变型。例如，晶体管的管脚数量可以多于三个。在某些变型中管脚的数量为四个。此外，激励电路可以包括更多的电路元件，例如用于对振荡器的电容器进行充电的电容器预充电电路、用于限制电子电路11中的电流的限流器和/或用于控制例如激励电路11的开关17、19的切换的控制电路。
在权利要求书中，词“包括”并不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除复数。不同特征在互不相同的从属权利要求中记载的简单事实并不表明不能有利地利用这些特征的组合。权利要求书中的任何附图标记都不应当被解释为限制本发明的范围。

Claims (10)

1.一种用于激励振荡器(3)的激励电路(11)，所述激励电路(11)包括：
-包括第一端和第二端的第一电感器(LD)；
-连接至所述第一端的电能量源(13)；以及
-连接在所述第二端与振荡器(3)之间的开关电路，所述开关电路被配置成至少运行在关闭状态和开启状态，在所述关闭状态下所述开关电路几乎不向振荡器(3)传送电能，在所述开启状态下所述开关电路向振荡器(3)传送电能，所述开关电路包括第一开关和第二开关，
其特征在于，所述第一电感器(LD)布置成当开关电路处于关闭状态时将能量存储在其磁场中，当开关电路处于开启状态时，所述开关电路布置成利用存储在磁场中的能量的至少一部分将电流冲击从电能量源(13)传送至振荡器(3)，
其中，所述第一开关为第一NMOS晶体管(17)并且所述第二开关为第二PMOS晶体管(19)，并且
其中，第一NMOS晶体管(17)和第二PMOS晶体管(19)的栅极连接至振荡器(3)的一公共节点(21)，第一NMOS晶体管(17)的漏极和第二PMOS晶体管(19)的源极连接至第一电感器(LD)的第二端，并且其中，开关电路被配置成在公共节点(21)处的电势大于第一阈值时处于关闭状态，而在所述第二端与公共节点(21)之间的电势差大于第二阈值时处于开启状态，第一NMOS晶体管(17)的源极接地，第二PMOS晶体管(19)的漏极连接至振荡器(3)。
2.根据权利要求1所述的激励电路(11)，其特征在于，所述第二阈值高于所述第一阈值。
3.根据权利要求1所述的激励电路(11)，其特征在于，第一阈值和第二阈值为正电压。
4.根据权利要求1所述的激励电路(11)，其特征在于，第一阈值和第二阈值在0V到1V之间。
5.根据权利要求1所述的激励电路(11)，其特征在于，所述电能量源(13)包括恒压源。
6.一种电子电路(9)，其包括根据权利要求1所述的激励电路(11)和振荡器(3)。
7.根据权利要求6所述的电子电路(9)，其特征在于，所述振荡器(3)包括第二电感器(LO)和与所述第二电感器(LO)串联的电容器(C2)，所述第二电感器(LO)包括第三端(23)和第四端，并且其中，第二PMOS晶体管(19)的漏极连接至所述第三端(23)。
8.根据权利要求7所述的电子电路(9)，其特征在于，第一NMOS晶体管(17)和第二PMOS晶体管(19)的栅极连接至所述第四端。
9.根据权利要求6所述的电子电路(9)，其特征在于，所述开关电路的运行被配置成由第四端处的电势控制。
10.一种通过根据权利要求1所述的激励电路(11)来激励振荡器(3)的方法，所述方法通过经由第一电感器(LD)以如下的方式将电能从电能量源(13)供应至振荡器(3)：即，使得在振荡器(3)处于非接收状态的振荡周期的第一阶段，利用电能量源(13)向所述第一电感器(LD)供能，并且使得在振荡器处于能量接收状态的振荡周期的第二阶段，利用在第一阶段存储于所述第一电感器(LD)中的能量的至少一部分将电流冲击从电能量源(13)传送至振荡器(3)。
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