CN107787552B - 用于晶体振荡器的周期性启动器 - Google Patents

用于晶体振荡器的周期性启动器 Download PDF

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Abstract

本发明揭示一种具有接近振荡器中的晶体谐振频率的脉冲重复率的循环脉冲振荡器，其将更有效的起动能提供到晶体振荡器电路，且因此提供快很多的起动时间。起动脉冲振荡器运行若干循环或直到晶体振荡器振幅建立期望值。所述脉冲振荡器可具有从大约三分之一所述晶体谐振频率到大约一半所述晶体谐振频率的重复率，因此将更有效的起动能提供到所述晶体振荡器电路。

Description

用于晶体振荡器的周期性启动器
相关专利申请案
本申请案要求Ajay Kumar的名称为“用于晶体振荡器的周期性启动器(PeriodicKickstarter for a Crystal Oscillator)”的2015年6月22日申请的共同所有的第62/183,027号美国临时专利申请案的优先权，所述案为所有目的特此以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及一种晶体振荡器，特定地说本发明涉及一种减少振荡器的接通时间的用于晶体振荡器的周期性启动器。
背景技术
适当切割的石英晶体可用作为高质量机电谐振器。机电谐振器的压电性质(跨越晶体的电压使晶体变形；使晶体变形产生电压)允许机电谐振器为电子电路中的频率确定元件。依据晶体的高质量因子(QF)；优异频率稳定性；紧密生产公差；及相对较低的成本，晶体被广泛用于振荡器、时基及频率合成器中。所有晶体振荡器电路具有起动时间。起动时间是电池供电式应用中的重要考虑，其中经常接通及关断装置。更短振荡器起动时间减少低功率系统中所浪费的能量。
取决于系统的类型，晶体振荡器的起动时间的定义可变动。对于微处理器系统，起动时间通常是从初始功率应用的时间到稳定时钟信号可用的时间。锁相回路(PLL)的起动时间通常是从初始功率应用的时间到稳定参考信号可用时，其通常稳定于从最终稳态振荡频率的可接受频率偏移内。晶体振荡器的起动时间可由以下各者确定：接通时的噪声或瞬时条件；归因于负电阻的小信号包络扩充；及大信号振幅限制。
已知晶体振荡器具有长起动时间。一旦存在其本身耗费长时间的信号的小增建，晶体振荡器可耗费额外2,000个循环到8,000个循环以基于晶体振荡器的运动臂电感而稳定。对于32KHz振荡器，起动时间可超过3到4秒，及对于24到32MHz振荡器，起动时间可扩展高达5到20毫秒。晶体振荡器的此类长起动时间已由许多用户报告为问题。已在设备接通时采用具有单稳态单发振荡器的晶体振荡器的启动但不总是成功，此是由于来自单稳态单发振荡器的单脉冲的能量频谱趋向于落在远离晶体振荡操作频率外且因此无法将足够能量添加到用于晶体振荡器电路的快速及可靠起动的晶体电感器元件。
发明内容
因此，需要一种减少晶体振荡器的起动时间的方式。
根据实施例，一种经配置以与外部晶体耦合的集成振荡器可包括：振荡器电路，其与所述外部晶体耦合；及起动电路，其可包括启动脉冲器，所述启动脉冲器经耦合到所述振荡器电路，且所述起动电路将起动能脉冲发射到所述振荡器电路。
根据另一实施例，所述启动脉冲器可包括：电流源，其对电容器充电；放电开关，其与所述电容器并联耦合，其中所述电流源与所述电容器之间的节点可经耦合到比较器的输入，所述比较器的输出控制所述放电开关；及脉冲开关，其由所述比较器控制且经耦合到所述振荡器电路。根据另一实施例，所述比较器可具有磁滞。根据另一实施例，数字计数器可在由所述起动电路产生预定数目的脉冲之后停用所述起动电路。根据另一实施例，所述预定数目的脉冲可从大约16个脉冲到大约32个脉冲。根据另一实施例，所述预定数目的脉冲可从大约32个脉冲到大约64个脉冲。
根据另一实施例，所述启动脉冲器的频率可从所述外部晶体的中心频率的大约三分之一到大约一半。根据另一实施例，所述启动脉冲器的频率可在所述外部晶体的中心频率的十倍内。根据另一实施例，所述启动脉冲器的频率可在所述外部晶体的带通频率内。
根据另一实施例，微控制器可包括所述集成振荡器。根据另一实施例，所述微控制器可经配置以在所述振荡器电路具有稳定振荡振幅之后断开所述起动电路。根据另一实施例，所述微控制器可经配置以在所述微控制器开始操作之后的预定时间周期之后断开所述起动电路。
根据另一实施例，所述振荡器电路可包括：电流源，其经耦合到供应电压；第一电阻器，其经耦合到偏压；第一电容器，其经耦合到所述第一电阻器；第二电阻器，其经耦合到所述第一电容器；第一晶体管，其经耦合到所述电流源、第一电容器及第一电阻器与第二电阻器；第二电容器，其经耦合到所述第一电容器及所述第二电阻器；第三电容器，其经耦合到所述第二电阻器及所述第一晶体管；第二晶体管，其经耦合到所述第一电容器、所述第二电容器及所述第三电容器、所述第二电阻器及所述第一晶体管；及所述外部晶体，其经耦合到所述第一晶体管及所述第二晶体管；所述第一电容器、所述第二电容器及所述第三电容器；及所述第二电阻器。
根据另一实施例，一种经配置以与外部晶体耦合的集成振荡器可包括：晶体振荡器；启动脉冲器，其经耦合到所述晶体振荡器；振荡器循环计数器，其经耦合到所述晶体振荡器；及逻辑门，用于启用及停用振荡器时钟输出；其中所述振荡器循环计数器可停用所述启动脉冲器，且可在已计数来自所述振荡器的特定数目的循环之后启用来自所述逻辑门的所述振荡器时钟输出。
根据另一实施例，所述启动脉冲器可包括：电流源，其对电容器充电；放电开关，其与所述电容器并联耦合，其中所述电流源与所述电容器之间的节点可经耦合到比较器的输入，所述比较器的输出可控制所述放电开关；及脉冲开关，其可由所述比较器控制且可经耦合到所述振荡器电路。根据另一实施例，启动脉冲器计数器可经耦合到所述启动脉冲器，其中所述启动脉冲器可在特定数目的脉冲可由所述启动脉冲器计数器计数之后停用。根据另一实施例，微控制器可包括所述集成振荡器。
根据又一实施例，一种经配置以与外部晶体耦合的集成振荡器可包括：晶体振荡器；启动脉冲器，其经耦合到所述晶体振荡器；逻辑门，用于启用及停用振荡器时钟输出；振荡器输出振幅检测器，其经耦合到所述晶体振荡器；电压参考，其提供参考电压；及电压比较器，其具有经耦合到所述振荡器输出振幅检测器的第一输入及经耦合到所述电压参考的第二输入，其中当经检测的振荡器输出振幅大于所述参考电压时，所述启动脉冲器可被停用且所述逻辑门可被启用以提供所述振荡器时钟输出。
根据另一实施例，所述启动脉冲器可包括：电流源，其对电容器充电；放电开关，其与所述电容器并联耦合，其中所述电流源与所述电容器之间的节点可经耦合到比较器的输入，所述比较器的输出控制所述放电开关；及脉冲开关，其是由所述比较器控制，且经耦合到所述振荡器电路。根据另一实施例，微控制器可包括所述集成振荡器。
根据又一实施例，一种用于起动经配置以与外部晶体耦合的集成振荡器的方法可包括以下步骤：将振荡器电路耦合到所述外部晶体；及使用经耦合到所述振荡器电路的启动脉冲器将能量脉冲发射到所述振荡器电路中。根据所述方法的另一实施例，将能量脉冲发射到所述启动脉冲器中的所述步骤可包括以下步骤：使用电流源对电容器充电；使用可由比较器控制的开关对所述电容器放电，当可达到所述电容器上的电压时，所述比较器具有磁滞；及使用所述比较器接通及关断脉冲开关，其中所述脉冲开关将所述脉冲能提供到所述振荡器电路。
附图说明
可通过参考结合附图的以下描述来获取本发明的更完整理解，其中：
图1说明晶体振荡器电路的示意图；
图2说明具有单脉冲启动电路的晶体振荡器的示意图；
图3说明晶体的示意性频率-振幅曲线图；
图4说明根据本发明的特定实例实施例的具有周期性启动器的晶体振荡器的示意性电路及框图；
图5说明根据本发明的另一特定实例实施例的具有周期性启动器的晶体振荡器的示意性电路及框图；
图6说明根据本发明的又一特定实例实施例的具有周期性启动器的晶体振荡器的示意性电路及框图；
图7说明根据本发明的教示的展示晶体的带宽内的启动脉冲的晶体的示意性频率-振幅曲线图；
图8说明根据本发明的教示的使用晶体的带宽内的启动脉冲的晶体振荡器的起动的示意性频率-振幅曲线图；
图9说明根据图6中展示的特定实例实施例的用于启用/停用启动脉冲器的晶体振荡器输出振幅水平检测器的示意图；
图10说明根据本发明的特定实例实施例的启动脉冲器电路的示意图；及
图11说明根据本发明的教示的包括图4、5或6中展示的晶体振荡器电路的微控制器的示意性框图。
虽然本发明易受各种修改及替代形式影响，但本发明的特定实例实施例已在图式中展示且在本文中详细描述。然而，应了解本文中的特定实例实施例的描述不意欲将本发明限于本文所揭示的特定形式。
具体实施方式
根据本发明的各种实施例，一种具有接近晶体振荡器谐振频率的脉冲重复率的脉冲振荡器将更有效的起动能提供到晶体振荡器电路且因此提供快很多的起动时间。起动脉冲振荡器可运行，例如(但不限于)16个脉冲到64个脉冲，或直到晶体振荡器振幅已建立期望值。
现参考图式，图式中示意性地说明实例实施例的细节。图式中的相同元件将由相同元件符号表示及类似元件将由具有不同的小写字体字母下目标相同元件符号表示。
参考图1，图中描绘晶体振荡器电路的示意图。此晶体振荡器电路(整体以数字100表示)可包括电流源102、第一电阻器104、P沟道金属氧化物半导体(PMOS)场效应晶体管(FET)106、第一电容器108、第二电阻器110、晶体频率确定元件112、第二电容器114、第三电容器116及经配置以与PMOS FET 106呈推拉输出电路配置的NMOS FET118。晶体振荡器电路100取决于电路噪声能量以起动其振荡，且耗费最长时间以达到完全操作振荡输出。依32KHz振荡的晶体振荡器电路100会耗费高达三秒到四秒来起动，及32MHz振荡器会耗费5秒到20毫秒用于起动。
此是标准晶体振荡器电路设计，且熟悉一般电子电路设计及本发明的优点的一般技术人员可易于提出同样正常工作的其它晶体振荡器电路设计。所有此类其它晶体振荡器电路可应用于本发明且在本文中考虑。
参考图2，图中描绘具有单脉冲起动电路的晶体振荡器的示意图。此是如图1中所展示的相同晶体振荡器电路100但具有包括启动开关220的启动输入；启动开关220使用单脉冲222将能量提供到晶体振荡器电路100。此单脉冲222具有在起动晶体振荡器电路100中是有用的非常少的能量，此是因为单脉冲222具有含晶体带宽内的非常少的能量含量的宽带谱。仅来自此脉冲的能量的小部分将落入晶体带宽范围内，如图3中所展示。另外，单启动脉冲中的能量是频率的反函数，因此振荡器的频率越高，单一启动器电路的有效性将越低。模拟已展示在单脉冲222启动之后，图2的晶体振荡器会耗费从大约2,000个到大约8,000个循环。寄生电路电容还可使来自所述单脉冲的能量衰减，且有时晶体振荡器完全不会起动。
参考图4，图中描绘根据本发明的特定实例实施例的具有周期性启动器的晶体振荡器的示意性电路及框图。具有周期性启动器的此晶体振荡器(整体以数字400表示)可包括晶体振荡器电路100、启动脉冲器434、反相器438及440、振荡器计数器442及“与”门444。启动脉冲器434可具有从晶体112的中心频率的大约三分之一到大约一半的脉冲重复率(频率)。此类重复率可将大量能量提供到晶体振荡器电路100，且具有其基本频率及谐波频率的此周期性信号可激发晶体振荡器电路100。在本发明的范围内设想出，脉冲器启动频率可落入所述晶体的中心频率的十倍内，且对于本发明的特定实例实施例可为有效的。
可使用启动脉冲器434对晶体振荡器电路100脉冲发射，例如(但不限于)16次到32次，由此将大量能量馈送到晶体112的频率带通范围，如图7中所展示。启动脉冲器434提供使用其基本能量及谐波能量有效地激发晶体112的L-C储能电路的周期性信号。通常，具有周期性启动器的晶体振荡器400可起动比仅不具有任何脉冲激发的晶体振荡器电路100快十倍以上。一旦已建立晶体振荡，晶体振荡器需要更小gm来维持振荡。因此，更高能量启动器将允许晶体振荡器依更低功率运行。
振荡器计数器442监测从晶体振荡器电路100具有足够输出电压振幅来驱动反相器438的时间的循环的数目。当已由振荡器计数器442计数足够数目的循环(例如，2048个循环或4096个循环)时，振荡器计数器442的溢流输出将启用来自“与”门444的输出的振荡器时钟，且停用启动脉冲器434。可使用开机复位或外部复位命令(图中未展示)来完成计数器442的复位。
图8展示使用晶体的带宽内的启动脉冲的晶体振荡器的起动相对于无启动脉冲(下曲线图)的示意性频率-振幅曲线图。针对具有来自启动脉冲器434的周期性脉冲的晶体振荡器输出振幅(上曲线图)，描绘更快输出振幅增长。
参考图5，图中描绘根据本发明的另一特定实例实施例的具有周期性启动器的晶体振荡器的示意性电路及框图。具有周期性启动器的此晶体振荡器(整体以数字500表示)可包括晶体振荡器电路100、启动脉冲器434、反相器438及440、振荡器计数器442、“与”门444及启动脉冲器计数器536。晶体振荡器500基本上以相同于上文所描述的晶体振荡器400的方式工作。然而，启动脉冲器计数器536已经添加以限制来自启动脉冲器434的脉冲的数目，例如(但不限于)64个脉冲。
参考图6，图中描绘根据本发明的又一特定实例实施例的具有周期性启动器的晶体振荡器的示意性电路及框图。具有周期性启动器的此晶体振荡器(整体以数字600表示)可包括晶体振荡器电路100、启动脉冲器434、反相器438、440及656、“与”门444、振荡器输出振幅转直流电平转换器654、电压比较器650及电压参考652。晶体振荡器600依基本上相同于如上文所更完全描述的关于来自启动脉冲器434的激发的晶体振荡器400及500的方式工作。然而，提供简单峰值电压检测器替代计数启动脉冲及/或振荡器起动循环使得当晶体振荡器电路100的输出振幅达到期望振幅值时停用启动脉冲器434且启用来自“与”门444的振荡器时钟输出。使用图6的此峰值检测器电路，一旦实现来自晶体振荡器电路100的期望输出振幅，将立刻停用启动脉冲器434，且将启用来自“与”门444的振荡器时钟输出。另外，如果晶体振荡器电路100的输出振幅变得小于所述期望振幅值，那么可重新启用启动脉冲器434且抑制(停用)来自“与”门444的输出的振荡器时钟。
参考图9，图中描绘根据图6中展示的特定实例实施例的晶体振荡器输出振幅水平检测器及启动脉冲器的启用/停用电路的示意图。简单二极管整流器654或包络检测器电路可用以整流高频振荡器波形且提供表示振荡器输出波形的振幅的DC电压水平。RC低通滤波器可耦合于二极管整流器654的输出与电压比较器650的第一输入之间。电压比较器650的第二输入耦合到电压参考652。在图9中展示的电路配置中，每次第一输入上的电压(+)大于来自电压参考652的参考电压，电压参考652的输出转到逻辑高电平，且可用以启用来自“与”门444的时钟振荡器输出且停用启动脉冲器434。
参考图10，图中描绘根据本发明的特定实例实施例的启动脉冲器电路的示意图。启动脉冲器434可包括电流源1060、计时电容器1062、开关1064及1068及具有磁滞的比较器1066。当电流源1060对电容器1062充电时，电压跨越其板上升。由比较器1066感测跨越电容器1062的电压。当电压跨越比较器1066的阈值电压时，电压的输出改变接通跨越电容器1062的两个板连接的开关1064的控制的逻辑水平。当比较器1066的输出转到逻辑低电平时，比较器1066启用(闭合)跨越电容器1062的开关1064且将电容器1062的两个板短接在一起，由此去除两个板之间的任何电压差。随着跨越电容器1062的板的电压下降到基本上零伏特，比较器1066输出回转到逻辑高电平且停用(接通)跨越电容器1062的开关1064，由此允许电流源1060再次开始对电容器1062上的电压充电。电容器1062的此充电及放电产生周期性波形，其用以对晶体振荡器电路434发射脉冲。图10中展示的启动脉冲器434电路表示时钟产生器电路。熟悉电子电路设计技术及具有本发明的优点的一般技术人员可易于提出电路的若干不同设计，其产生可与本发明中所描述的启动电路一起使用的周期性波形。
参考图11，图中描绘根据本发明的教示的包括图4、5或6中展示的晶体振荡器电路的微控制器的示意性框图。微控制器1102可包括数字处理器及存储器1104、外围模块1106、输入/输出1108及时钟振荡器400、500或600。本文所揭示的晶体振荡器实施例允许微控制器1102更快开始操作，此是由于时钟振荡器输出将可用且在比如果无启动脉冲器434具有晶体振荡器电路更少时间内稳定。

Claims (21)

1.一种集成振荡器，其经配置以与外部晶体耦合，所述集成振荡器包括：
振荡器电路，其与所述外部晶体耦合；及
起动电路，其包括启动脉冲器，所述启动脉冲器经耦合到所述振荡器电路且将起动能脉冲发射到所述振荡器电路，其中所述启动脉冲器包括：电流源，其对电容器充电；放电开关，其与所述电容器并联耦合，其中所述电流源与所述电容器之间的节点经耦合到比较器的输入，所述比较器的输出控制所述放电开关；及脉冲开关，其由所述比较器控制，且经耦合到所述振荡器电路。
2.根据权利要求1所述的集成振荡器，其中所述启动脉冲器产生周期脉冲，所述周期脉冲具有从所述外部晶体的中心频率的大约三分之一到大约一半的脉冲重复率。
3.根据权利要求1所述的集成振荡器，其中所述比较器具有磁滞。
4.根据权利要求1所述的集成振荡器，其进一步包括数字计数器，在由所述起动电路产生预定数目的脉冲之后，所述数字计数器停用所述起动电路。
5.根据权利要求4所述的集成振荡器，其中所述预定数目的脉冲是从大约16个脉冲到大约32个脉冲。
6.根据权利要求4所述的集成振荡器，其中所述预定数目的脉冲是从大约32个脉冲到大约64个脉冲。
7.根据权利要求1所述的集成振荡器，其进一步包括：
振荡器循环计数器，其耦合至所述晶体振荡器；以及
逻辑门，其用于启用及停用振荡器时钟输出；
其中，所述振荡器循环计数器会停用所述启动脉冲器，且在已计数来自所述振荡器的特定数目的循环之后通过所述逻辑门启用所述振荡器时钟输出。
8.根据权利要求1所述的集成振荡器，其进一步包括：
振荡器输出振幅检测器，其耦合到所述晶体振荡器；
电压参考，其提供参考电压；以及
电压比较器，其具有耦合到所述振荡器输出振幅检测器的第一输入，及耦合到所述电压参考的第二输入，其中当所述经检测的振荡器输出振幅大于所述参考电压时，所述启动脉冲器被停用且逻辑门被启用以提供所述振荡器时钟输出。
9.根据权利要求1所述的集成振荡器，其中所述振荡器电路包括：
电流源，其经耦合到供应电压；
第一电阻器，其经耦合到偏压；
第一电容器，其经耦合到所述第一电阻器；
第二电阻器，其经耦合到所述第一电容器；
第一晶体管，其经耦合到所述电流源、第一电容器及第一电阻器与第二电阻器；
第二电容器，其经耦合到所述第一电容器及所述第二电阻器；
第三电容器，其经耦合到所述第二电阻器及所述第一晶体管；
第二晶体管，其经耦合到所述第一电容器、所述第二电容器及所述第三电容器、所述第二电阻器及所述第一晶体管；及
所述外部晶体，其经耦合到所述第一晶体管及所述第二晶体管；所述第一电容器、所述第二电容器及所述第三电容器；及所述第二电阻器。
10.一种微控制器，其包括根据前述权利要求中任一权利要求所述的集成振荡器。
11.根据权利要求10所述的微控制器，其中所述微控制器经配置以在所述振荡器电路具有稳定振荡振幅之后断开所述起动电路。
12.根据权利要求10所述的微控制器，其中所述微控制器经配置以在所述微控制器开始操作之后的预定时间周期之后断开所述启动电路。
13.一种集成振荡器，其包括：
晶体振荡器；
启动脉冲器，其经耦合到所述晶体振荡器；及
启动脉冲器计数器，所述启动脉冲器计数器经耦合到所述启动脉冲器，其中所述启动脉冲器将在特定数目的脉冲由所述启动脉冲器计数器计数之后被停用，
其中所述启动脉冲器包括：电流源，其对电容器充电；放电开关，其与所述电容器并联耦合，其中所述电流源与所述电容器之间的节点经耦合到比较器的输入，所述比较器的输出控制所述放电开关；及脉冲开关，其由所述比较器控制，且经耦合到所述振荡器电路。
14.根据权利要求13所述的集成振荡器，其中所述比较器具有磁滞。
15.根据权利要求13所述的集成振荡器，其进一步包括：振荡器循环计数器，其耦合至所述晶体振荡器；以及逻辑门，其用于启用及停用振荡器时钟输出；其中，所述振荡器循环计数器经配置以在已计数来自所述振荡器的特定数目的循环之后启用来自所述逻辑门的所述振荡器时钟输出。
16.一种微控制器，其包括根据权利要求13到15中任一权利要求所述的集成振荡器。
17.一种集成振荡器，其包括：
晶体振荡器；
启动脉冲器，其经耦合到所述晶体振荡器，其中所述启动脉冲器包括：电流源，其对电容器充电；放电开关，其与所述电容器并联耦合，其中所述电流源与所述电容器之间的节点经耦合到比较器的输入，所述比较器的输出控制所述放电开关；及
脉冲开关，其由所述比较器控制，且经耦合到所述振荡器电路；
逻辑门，其用于启用及停用振荡器时钟输出；
振荡器输出振幅检测器，其经耦合到所述晶体振荡器；
电压参考，其提供参考电压；及
电压比较器，其具有经耦合到所述振荡器输出振幅检测器的第一输入及经耦合到所述电压参考的第二输入，其中当经检测的振荡器输出振幅大于所述参考电压时，所述启动脉冲器停用且所述逻辑门经启用，以提供所述振荡器时钟输出。
18.一种微控制器，其包括根据权利要求17所述的集成振荡器。
19.一种用于起动经配置以与外部晶体耦合的集成振荡器的方法，所述方法包括以下步骤：
将振荡器电路耦合到所述外部晶体；及
透过以下步骤使用启动脉冲器来将脉冲周期性地馈送到所述振荡器电路中：
使用电流源对电容器充电；
当达到所述电容器上的电压时，使用由比较器控制的开关对所述电容器放电；及
使用所述比较器来接通及关断脉冲开关，其中所述脉冲开关将所述脉冲提供到所述振荡器电路。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述启动脉冲器产生周期脉冲，所述周期脉冲具有从所述外部晶体的中心频率的大约三分之一到大约一半的脉冲重复率。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述比较器具有磁滞。
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