CN109120231A - 快速起振的单接点石英振荡装置及操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种快速起振的单接点石英振荡装置及操作方法，快速起振的单接点石英振荡装置，由一比较器、波峰检测器、触发器、石英晶体振荡器、有限状态机、放大器增益元件模块、负载电容元件模块以及偏压电阻所组成。相对于传统的晶体振荡器电路，本发明主要进行了以下改造，第一，使用单接点石英晶体振荡结构，并移除两个外接负载电容；第二，减少振荡器启动时间，亦即增加负电阻，降低负载电容；第三，利用快速起振的演算法，使得振荡电路运行于最佳功耗。
Description
技术领域
本发明用于振荡器设计领域，具体涉及一种晶体振荡器快速起振的电路与方法。
背景技术
在IoT应用中,因装置频繁切换运行于待机模式(Standby Mode)与操作模式(Operation Mode)之间,当装置进入操作模式时,石英晶体(crystal)震荡电路会重新起振产生精准系统时钟,提供整个系统操作。但IoT应用中,低功耗设计与BOM成本考量是重要设计指标,在传统的石英晶体(Crystal)震荡电路中,需要非常长的起振时间,并且需要两根引脚(Pins)与外接负载电容,如此会劣化整体系统功耗并使BOM制造成本提高。
晶体振荡器是以石英晶体为谐振腔的一类振荡器的总称，借助了石英晶体谐振腔具有的极高选频特性的优点，晶体振荡器能产生高精度和高稳定度的频率信号，被广泛应用于微处理器、控制器、钟表、通信设备等系统中，而晶振全称为晶体振荡器，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件，由于石英晶体具有非常高的品质因数，因此石英晶体振荡器能够产生频率准确而稳定的振荡波形，而广泛用于对振荡频率要求较高的钟表、军工、电子通信等领域中。
石英晶体振荡器又名石英谐振器，亦简称为晶振，是利用具有压电效应的石英晶体片制成的，石英晶体振荡器的应用很广泛，石英钟走时准、耗电省、经久耐用为其中最大的优点，不论是老式石英钟或是新式多功能石英钟都是以石英晶体振荡器为核心电路，其频率精度决定了电子钟表的走时精度。利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC(线圈和电容)谐振回路、滤波器等。由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中。石英谐振器因具有极高的频率稳定性，故主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件。
现有的晶体振荡器的起振时间通常都在毫秒级，在需要频繁启停并且只需要短时工作的系统中，晶体振荡器起振到稳定所占据的时间在整个系统工作时间段中占据了很大的比例，耗费了较大比例的功耗，越来越成为了现代低功耗电子系统降低功耗的障碍。
如图1所示，是一种传统晶体振荡器电路结构，图中是由电容器Cl，C2与石英晶体振荡器一起所构成的，这种电路结构需要两根引脚(Two Pins)与外接负载电容，在整体电路特性上需要非常长的起振时间，也就是启动的时间较长，需要经过很多个周期的振荡才能将晶振信号输出达到一定的摆幅，产生时钟输出，这对要求快速提供时钟来完成初始化的电路有一定的局限性，所以在电路性能表现方面并不理想，亦会造成整体系统影响，同时在BOM表的成本因素考量下，系统外接两个负载电容(Cl，C2)会造成额外的制造成本，也增加了PCB电路层级的整合体积与面积，亦会同时提高整体电路功率的消耗，不利于电子通信产品微小化发展。
发明内容
本发明提供一种更加完善周全的一种石英晶体振荡器快速起振的电路、快速起振的单接点振荡装置及操作方法。
本发明是针对传统晶振电路启动时间慢，提出了一种能快速起振(fast start-up)，且工作稳定的石英晶体振荡器电路，能简单有效的缩短起振时间(Decrease Start-uptime)，为低功耗电子通信系统开发出新的省电策略。
本发明是针对传统晶振电路需要外接负载电容，提出了一种单接点(Single Pin)的晶体振荡器电路结构，不但节省了PCB电路板体积与面积，亦同时减少封装PIN脚的数目，大幅降低功率的消耗与制造成本。
为解决上述所提的问题，本发明采用以下技术方案来实现。
本发明的主要设计为一振荡器电路结构，有效提供一种快速起振(fast start-up)的单接点石英振荡装置(Single Pin Crystal Structure)，是由一比较器、波峰检测器、触发器、石英晶体振荡器、有限状态机、放大器增益元件模块、负载电容元件模块以及偏压电阻等元件所组合构成的。
本发明提出一种新的振荡器电路架构，主要目的提供一种具有快速起振(faststart-up)的单接点振荡装置(Single Pin Crystal Structure)。首先为一波峰检测器，耦接于一比较器，用以产生一检测电压信号，一比较器的正输入端用以接收检测电压信号，负输入端用以接收一参考电压信号，该比较器将该检测电压信号与该参考电压信号进行比较，在输出端产生一比较电压信号，一触发器，耦接于该波峰检测器，用以产生一时钟信号，一石英晶体振荡器，耦接于该触发器，用以产生具有振荡频率的一振荡信号，一有限状态机，耦接于该触发器、该比较器与一负载电容元件模块、一放大器增益元件模块，用以接收该时钟信号与该比较电压信号并输出一负载电容校正信号、一放大器增益校正信号，该负载电容元件模块耦接于该放大器增益元件模块，以及一偏压电阻，并联耦接于该石英晶体振荡器与该负载电容元件模块的快速起振系统架构电路设计。
本发明的目的在于提供一种振荡器加速起振(fast start-up)的操作方法，本方法可以提高整体系统电路放大增益(GM)，进一步增加负电阻(Negative Resistance)，降低负载电容(Loading Capacitance)，突破现有晶体振荡器的起振速度限制缺点，亦能加快石英晶体振荡器的起振速度，减少了振荡器的起振时间(Decrease Start-up time)。
为了达到上述目的，本发明一种快速起振的单接点石英振荡装置的操作方法，包含下列步骤：启动电路；设定一参考电压信号值；选择一负载电容最小值与一放大器增益最大值；启动一波峰检测器；一检测电压信号值是否大于该参考电压信号值，直到电压信号值大于该参考电压信号值时，进入下一步骤；载入最佳化的一负载电容值；检测电压信号值是否小于该参考电压信号值，直到电压信号值不小于该参考电压信号值时，进入下一步骤；检测电压信号值是否大于该参考电压信号值，如果是则各关闭一放大器增益元件集成第一组中的一增益元件与一放大器增益元件集成第二组中的一增益元件，并再次进行检测，直到该电压信号值不大于该参考电压信号值，则进入下一步骤；得到最佳化的放大器增益值；之后电路关闭。
附图说明
图1为现有技术中传统晶体振荡器电路的结构示意图；
图2为本发明所提出的晶体振荡器电路的结构示意图；
图3为本发明实施例快速起振晶体振荡器电路方框示意图；
图4为本发明实施例快速起振晶体振荡器电路元件示意图；
图5为本发明实施例快速起振晶体振荡器信号波形示意图；
图6为本发明实施例快速起振晶体振荡器流程步骤示意图。
具体实施方式
以下结合附图，详细说明本发明公开的一种稳定快速的晶振起振电路结构和工作过程。
在本发明的实施例中，如图2所示，使用单接点石英晶体振荡器结构(Single PinCrystal Structure)，已经移除了如图1所标示的两个外接负载电容(Cl与C2)，而是采用单引脚(Single pin)的电路结构方式。
请参照图3，图3是为本发明的一实施例，说明一种快速起振晶体振荡器电路方框示意图。一种快速起振的单接点石英振荡装置(Single Pin Crystal Structure)是包含一比较器31、一波峰检测器32、一触发器33、一有限状态机34、一放大器增益元件模块35、一负载电容元件模块36、一石英晶体振荡器37、以及一偏压电阻38。
本实施例的快速起振的单接点石英振荡装置(Single Pin Crystal Structure)是包含一比较器31，具有一正输入端(+)、一负输入端(-)及一输出端，其中，该正输入端用以接收一检测电压信号Vamp，该负输入端用以接收一参考电压信号Vref，该比较器31将该检测电压信号Vamp与该参考电压信号Vref进行比较，在该输出端产生一比较电压信号Vp；一波峰检测器(Envelope Detector)32，耦接于该比较器31，用以产生该检测电压信号Vamp；一触发器33，耦接于该波峰检测器(Envelope Detector)32，用以产生一时钟信号clock；一石英晶体振荡器37，耦接于该触发器33，用以产生具有振荡频率Xin的一振荡信号；一有限状态机(FSM)34，耦接于该触发器33、比较器31与一负载电容元件模块36、一放大器增益元件模块35，用以接收该时钟信号clock与该比较电压信号Vp并输出一负载电容校正信号CLAdj、一放大器增益校正信号GMAdj；该负载电容元件模块36，耦接于该放大器增益元件模块35；以及一偏压电阻(Rbias)38，并联耦接于该石英晶体振荡器37与该负载电容元件模块36。
请参照图3，其中该触发器33为一施密特触发器(Schmitt trigger)。
请参照图3，其中该放大器增益元件模块35(GM cell)为一放大器增益元件集成第一组Gm1bank[N：0]与放大器增益元件集成第二组Gm2bank[N：0]的集合GM{Gm1bank,Gm2bank}，GM是N～0个增益元件集成。
请参照图3，其中该负载电容元件模块36为一负载电容元件集成第一组C1bank[M：0]与负载电容元件集成第二组C2bank[M：0]的集合CL{C1bank,C2bank}，CL是M～0个元件集成。
请参照图3，其中该放大器增益校正信号GMAdj控制该放大器增益元件模块35的增益值。
请参照图3，其中该负载电容校正信号CLAdj控制该负载电容元件模块36的电容值。
请参照图4，图4是为本发明的一实施例，说明一种快速起振晶体振荡器电路元件示意图。一种快速起振的单接点石英振荡装置(Single Pin Crystal Structure)是包含一放大器增益元件集成第一组Gm1bank[N：0]41、一放大器增益元件集成第二组Gm2bank[N：0]42、一负载电容元件集成第一组C1bank[M：0]43、以及一负载电容元件集成第二组C2bank[M：0]44。
请参照图4,其中该放大器增益元件模块35为一CMOS装置(device)所组成。
请参照图4,其中该负载电容元件模块36为一CMOS电容所组成。
请参照图4,其工作原理为Gm2bank/C2bank>Gm1bank/C1bank。
请参照图5，图5是为本发明的一实施例，说明一种快速起振晶体振荡器信号波形示意图。一种快速起振的单接点石英振荡装置是包含一检测电压信号Vamp，一参考电压信号Vref，一比较电压信号Vp，一时钟信号clock，一负载电容校正信号CLAdj、以及一放大器增益校正信号GMAdj。如图5所示在crossover point1(交叉点1)的时候，系统载入最佳化负载电容值(Load Optimum CL Value)，在crossover point2(交叉点2)与crossover point3(交叉点3)区间的时候，系统进行调整放大器增益值(Adjust GM Value)，在crossoverpoint3(交叉点3)的时候，系统已经取得到最佳化放大器增益值(Optimum GM ValueLocking)。
请参照图6，图6是为本发明的一实施例，图6为一快速起振晶体振荡器流程步骤示意图，用以说明本发明的振荡器的操作流程。是包含下列步骤：
电路启动，振荡信号Xin產生；
设定一参考电压信号值Vref(步骤S01)；
选择一负载电容最小值(Minimum CL)与一放大器增益最大值(Maximum GM)(步骤S02)；
启动一波峰检测器(Envelope Detector)32(步骤S03)；
检测电压信号值Vamp是否大于一参考电压信号值Vref(步骤S04)，如果为否则重新进行检测，如果为是则进行下一步骤；
载入最佳化的一负载电容值(Optimal CL Value)，其中最佳化的负载电容值可于出厂时测量得知(步骤S05)；
检测电压信号值Vamp是否小于该参考电压信号值Vref(步骤S06)，如果为是则重新检测，如果为否则进行下一步骤；
检测电压信号值Vamp是否大于该参考电压信号值Vref(步骤S07)，如果为是，则各关闭一个放大器增益元件集成第一组中的一增益元件与放大器增益元件集成第二组中的一增益元件(步骤S08)，之後再重新检测，如果为否则进入下一步骤；
之后得到最佳化的放大器增益值(Optimal GM Value)(步骤S09)；
快速起振电路关闭(步骤S10)。
与传统现有技术相比较，本发明提出方法的有益效果如以下说明。
本发明通过独特的电路结构设计方法，具体实现了提高整体电路放大增益(GM)，亦即增加负电阻(Negative Resistance)，降低负载电容(Loading Capacitance)，在初始状态时(Initial state)，电路系统可以选择(select)其负载电容最小值(Minimum CL)与放大器增益最大值(Maximum GM)，以利加快(speed up)石英晶体振荡器的起振速度(faststart-up time)。
本发明通过独特的电路结构设计方法，实现采用了以波峰检测器(EnvelopeDetector)与有限状态机(FSM)去进行并演算出最佳化放大器增益值(Optimal GM Value)，亦能有效降低整体系统电路功率的消耗。
本发明通过独特的电路结构设计方法，石英晶体振荡器电路起振速度加快之后，振荡器起振时间大幅缩短了，有效的工作时间也相对增加，亦能提高系统电路回应速度，明显改善了通信数据传输效率，本发明也可广泛适用在各种不同的电子产品中。
本发明通过独特的电路结构设计方法，实现提出了一种单接点(Single Pin)的石英晶体振荡器装置结构，电路本身并不需要再外接两个负载电容(C1，C2)，亦同时减少了封装PIN脚的数目，节省了PCB电路板体积与面积，能有效大幅降低生产与制造成本。
虽然本发明以前述的优选实施例描述如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的构思和范围内当可作些许的变动与润饰，因此本发明的保护范围须应以申请的权利要求范围所界定的内容为准。
Claims (9)
1.一种快速起振的单接点石英振荡装置，其特征在于，包含：
一比较器，具有一正输入端、一负输入端及一输出端，其中，该正输入端用以接收一检测电压信号，该负输入端用以接收一参考电压信号，该比较器将该检测电压信号与该参考电压信号进行比较，在该输出端产生一比较电压信号；
一波峰检测器，耦接于该比较器，用以产生该检测电压信号；
一触发器，耦接于该波峰检测器，用以产生一时钟信号；
一石英晶体振荡器，耦接于该触发器，用以产生具有振荡频率的一振荡信号；
一有限状态机，耦接于该触发器、该比较器与一负载电容元件模块、一放大器增益元件模块，用以接收该时钟信号与该比较电压信号并输出一负载电容校正信号、一放大器增益校正信号；
该负载电容元件模块耦接于该放大器增益元件模块；以及
一偏压电阻，并联耦接于该石英晶体振荡器与该负载电容元件模块。
2.根据权利要求1所述的快速起振的单接点石英振荡装置，其中该触发器为一施密特触发器。
3.根据权利要求1所述的快速起振的单接点石英振荡装置，其中该放大器增益元件模块为一放大器增益元件集成第一组与一放大器增益元件集成第二组的集合。
4.根据权利要求1所述的快速起振的单接点石英振荡装置，其中该负载电容元件模块为一负载电容元件集成第一组与一负载电容元件集成第二组的集合。
5.根据权利要求1所述的快速起振的单接点石英振荡装置，其中该放大器增益元件模块为一CMOS装置所组成。
6.根据权利要求1所述的快速起振的单接点石英振荡装置，其中该负载电容元件模块为一CMOS电容所组成。
7.根据权利要求1所述的快速起振的单接点石英振荡装置，其中该放大器增益校正信号控制该放大器增益元件模块的增益值。
8.根据权利要求1所述的快速起振的单接点石英振荡装置，其中该负载电容校正信号控制该负载电容元件模块的电容值。
9.一种快速起振的单接点石英振荡装置的操作方法，包含下列步骤：
启动电路；
设定一参考电压信号值；
选择一负载电容最小值与一放大器增益最大值；
启动一波峰检测器；
一检测电压信号值是否大于该参考电压信号值，直到该检测电压信号值大于该参考电压信号值时，进入下一步骤；
载入最佳化的一负载电容值；
该检测电压信号值是否小于该参考电压信号值，直到该检测电压信号值不小于该参考电压信号值时，进入下一步骤；
该检测电压信号值是否大于该参考电压信号值，如果是则各关闭一放大器增益元件集成第一组中的一增益元件与一放大器增益元件集成第二组中的一增益元件，并再次进行检测，直到该检测电压信号值不大于该参考电压信号值时，则进入下一步骤；
得到最佳化的放大器增益值；以及
电路关闭。
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