CN111989859A - 振荡器电路装置 - Google Patents

Abstract

振荡器电路装置，包括增益级(10)和反馈回路，该反馈回路包括晶体器件(XC)。时钟信号监测电路(12)连接到增益级的输出(102)并且检测时钟信号中的频移或振荡损失。通过增益级的电流响应于由时钟信号监测电路产生的控制信号而被控制。

Description

振荡器电路装置

技术领域

本公开涉及一种振荡器电路装置。具体地，本公开涉及一种包括增益级和反馈回路的振荡器电路装置，该反馈回路包括连接到增益级的晶体器件。本公开还涉及一种包括这种振荡器电路装置的电子标签。

背景技术

振荡器广泛地用于提供时钟信号以控制电子设备的工作的时序。振荡器可以通过半导体芯片上的集成电路和外部元件实现，外部元件例如是晶体用于提供时间基础的晶体和用于确保信号的适当相移的电容器。

设计用于低功率应用的振荡器可以对其工作带宽中的干扰敏感，该干扰导致振荡器的性能降低，例如振荡器输出信号中的频移，或甚至振荡完全停止。在这种事件之后，低频振荡器可能需要相对较长的时间来重新启动，并且可能要花费几百毫秒来使低功率振荡器重新启动。例如，对于32kHz振荡频率的低功率振荡器，恢复时间可以为大约100ms。特别是在例如超市中的电子货架标签等的电子标签的领域中，标签通常放置在通过电磁干扰(EMI)产生干扰的其他电子系统附近。EMI事件可以由安装在货架上的、电子标签附近的荧光灯产生。如果电子标签受到EMI事件的影响，则标签上的信息的显示可能受到干扰，甚至可能丢失。

需要具有一种对电磁干扰更鲁棒的振荡器。尽管如此，振荡器应该消耗尽可能少的功率，使其能够用于由电池供电的移动或无线应用。振荡器应该适用于超低功率应用，例如电子标签，并且应该在EMI事件的情况下具有短的恢复时间，使得电子标签中的信息的显示不会受到干扰或丢失。

本公开的目的是提供一种防止上述技术问题中的一个或更多个的振荡器电路装置。

本公开的另一个目的是提供一种具有快速的启动和恢复时间并且消耗尽可能少的功率的振荡器电路装置。

本公开的又一个目的是提供一种包括振荡器电路装置的电子货架标签。

发明内容

根据一个实施例，振荡器电路装置包括：增益级；反馈回路，其包括连接到增益级的晶体器件；时钟信号监测电路，其检测频移和振荡损失中的至少一个，时钟信号监测电路耦合到增益级的输出端子，并且配置为产生控制信号，控制信号控制通过增益级的电流。

根据本公开的振荡器电路装置包括耦合到增益级的输出端子的时钟信号监测电路，使得时钟信号监测电路在电路装置的数字侧工作。时钟信号监测电路监测产生的时钟信号的存在/不存在或时钟信号中的异常，例如相对于数字时钟信号的频移。当时钟信号存在频移时，时钟信号的频率随着时间变化。频移也可以被认为是时钟信号的相应的连续沿的相移。每当本公开叙述时钟信号的频移时，这也包括时钟信号的相应的连续沿的相移。

监测电路在该装置的数字域中工作。在工作期间，该系统通过增加振荡器的电流，特别是到振荡器的增益级的电流，来对时钟相位/频率偏差或时钟信号的缺失做出反应。用于监测时钟信号和电流提升控制回路的数字工作电路避免了控制信号中的波动，从而避免了输出时钟信号中的噪声。

通过改变时钟信号监测电路的RC常数，能够以多种方法实现该解决方案。首先，只有当时钟丢失时，可控电流源的提升信号才能够激活，这需要通过时钟信号监测电路检测丢失的输出时钟信号。其次，当时钟信号检测到时钟输出信号的频率的改变时，提升信号能够激活，这可以防止时钟响应于强干扰而停止。这需要检测输出时钟信号中的频移。两种解决方案可以彼此组合。第一种解决方案可以不太复杂并且更容易实现，第二种解决方案可以更精确并且更快。本公开提供了一种通过使用数字控制回路以快速的时钟恢复来提高振荡器抗干扰和抗EMI事件的鲁棒性的解决方案。该系统通过增加供应给振荡器的电流，并且通过增加控制回路的跨导系数，来对时钟相位/频率偏差或时钟的缺失做出反应。

在电流的提升操作中，时钟信号监测电路的输出的控制信号控制可控电流源。可控电流源给振荡器的增益级供应增加的电流。

在数字电路实现中，可控电流源连接到电流镜电路的输入路径。电流镜电路的输出路径连接到振荡器的增益级，并且给增益级供应工作电流。电流响应于取决于电流提升状态的控制信号而变化。

有多种方法将可控电流源连接到电流镜电路。电流镜电路在输入路径中包括二极管连接的MOS晶体管，其漏极和栅极连接在一起。电流镜的输出路径包括由输入路径控制的MOS晶体管，其漏极端子耦合到增益级。在一个解决方案中，可控电流源与输入路径的二极管连接的MOS晶体管并联连接。可控电流源可以响应于时钟信号监测电路产生的控制信号打开或关闭。在另一个解决方案中，可控电流源与输入路径的二极管连接的MOS晶体管串联连接。可控电流源在其一端连接到二极管连接的MOS晶体管的漏极端子，并且在其另一端连接到接地电势。

时钟信号监测电路可以在其输出侧包括计数器，该计数器避免了在时钟信号监测电路的输出处的控制信号中的电势尖峰。这防止了控制回路的振荡。计数器负责使控制信号在时钟信号的至少两个周期内保持激活，从而增加控制回路的稳定性。

时钟信号监测电路可以包括子单元，来检测时钟信号的频移或时钟信号的缺失。子单元包括用于时钟信号的第一信号路径和用于反相时钟信号的第二信号路径。每个路径包括由电流源供电的电容器、与电容器并联连接的开关和在下游连接的施密特触发器。第一路径和第二路径的施密特触发器的输出通过门耦合在一起，该门可以是异或门(EXOR)。第一路径和第二路径分别监测时钟信号中的连续脉冲之间的延迟和时钟信号中的脉冲的长度。

增益状态包括至少一个晶体管，其输入和输出通过晶体器件连接在一起。具体地，该晶体管的栅极端子和漏极端子连接到晶体。增益级和控制回路是集成电路的一部分，而晶体器件在集成电路的外部。在另一个实施例中，增益级的晶体管可以是反相器的一部分，其输入端子和输出端子通过晶体器件连接。

因为控制回路在数字域中实现，并且接收振荡器的数字输出信号，所以当振荡器输出信号处于稳态时，时钟信号监测电路能够关闭。因此，根据本公开的解决方案适用于超低功率应用。电流提升控制回路可以激活，直到输出时钟信号再次在稳态下出现为止，使其仅在时钟恢复阶段使用，并且在稳态下关闭。电流提升控制回路可以在稳态模式下停用。尽管当控制回路在稳态期间关闭时，整个电路实现了超低功率的要求，但是在外部干扰引起振荡停止之后，重新启动能够快速完成，因为附加的提升电流可以足够大。此外，数字处理允许估计晶体振荡器振幅达到稳态的时间。可以存储控制通过增益级的电流的数字控制字，使得控制回路电路能够关闭以节省功率并且保持相位噪声完整。

本公开所述的振荡器可以用于电子标签装置。电子标签装置包括在其上显示信息的显示设备。显示设备是时钟控制的，其中时钟信号来自本公开的振荡器。显示设备必须在称为刷新间隔的一定时间之后刷新。因为在检测到时钟信号的相位/频移的情况下或在振荡损失的情况下振荡器具有快速恢复时间，振荡器可以在刷新间隔内恢复其振荡，使得该振荡器在必须进行的下一次刷新操作之前再次回到正常振荡条件下。作为快速恢复时间的优点，即使响应于强EMI事件而损失的振荡也将很可能在显示屏上不可见。这甚至能够实现超低功耗。

附加特征和优点将在下面的详细描述中阐述，并且从描述中或通过实践如书面说明书及其权利要求以及附图所描述的实施例而认识到的部分对于本领域技术人员而言将是显而易见的。

附图被包括以提供进一步的理解，并且包含在本公开中并构成本公开的一部分。附图示出了一个或更多个实施例，并且与描述一起用于解释各种实施例的原理和操作。不同附图中的相同元件由相同的附图标记表示。

附图说明

在附图中：

图1示出了根据本公开的振荡器电路装置的原理框图；

图2示出了振荡器电路装置的实施例的详细电路图；

图3A和3B示出了振荡器电路装置的另一个实施例的不同版本；

图4A和4B示出了时钟监测电路的详细电路图，该时钟监测电路用于检测时钟信号的频移、时钟信号的缺失以及该电路的代表性信号；以及

图5示出了电子标签的框图。

具体实施方式

应当理解，前面的一般性描述和下面的详细描述仅仅是示例性的，并且旨在提供概述或框架以理解权利要求的性质和特征。现在将参考示出本公开的优选实施例的附图在本文中更全面地描述本公开。然而，本公开可以以许多不同的形式体现，并且不应被解释为限于在本文中阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使得本公开将本公开的范围完全传达给本领域技术人员。附图不一定按比例绘制，而是配置为清楚地示出本公开。

图1示出了根据本公开的振荡器电路装置的原理框图。振荡器10包括具有输入端子和输出端子101、102的放大器或增益级。当电路10以集成的形式在半导体芯片上实现时，端子101、102引导到集成电路的外部。增益级的反馈回路由石英晶体器件XC闭合。该晶体连接到相应的电容器C1、C2，该电容器产生信号的相移，因此能够发生振荡。电容器C1、C2连接到接地电势GND。增益级的输出102通过放大器13放大，以在其输出131产生全摆数字时钟信号CLK。时钟信号CLK为电子电路14提供时间基础，以控制电子电路14中的操作。包括增益级、连接在增益级的输入与输出之间的晶体XC以及将晶体连接到地GND的电容器C1、C2的如图1所示的振荡器的概念被称为皮尔斯架构。

时钟信号CLK供应给时钟信号监测电路12。电路12确定时钟信号CLK是否处于异常状态。电路12监测时钟信号CLK是否具有频移或者时钟信号CLK是否不存在。电路12控制跨导放大系数gm，该跨导放大系数反馈到振荡器电路10的增益级，由此闭合控制回路。

从图1可以明显看出，到时钟信号监测电路12的输入信号是全摆数字信号CLK。电路12和11在数字域中工作，并且作为数字电路工作。因此，在控制回路中没有时钟信号引起的波纹，这使得在时钟信号CLK中没有可能由控制回路产生的相位噪声。在控制回路中使用数字处理允许估计晶体振荡器振幅达到稳态的时间。控制实现gm控制的电流源阵列的最终数字字能够例如存储在寄存器中，以便时钟信号监测电路12或振幅控制回路能够在稳态模式下关闭。这节省功率并且保持相位噪声完整。

图2示出了根据本公开的原理的振荡器电路装置的实施例的详细电路图。振荡器包括n沟道MOS晶体管201形式的增益级。晶体管201的漏极和栅极通过石英晶体器件XC耦合。通过晶体管201的电流由电流镜电路202、203供应。电流镜电路的输入路径包括二极管连接的p沟道MOS晶体管202，其栅极端子和漏极端子连接在一起。晶体管202的源极端子连接到正电源电势VDD。电流镜电路的输出路径包括p沟道MOS晶体管203，其栅极连接到晶体管202的栅极。晶体管203给振荡器的增益级201供应工作电流。通过晶体管203的电流由流过电流镜电路的输入路径的电流控制。电流镜电路的输入电流与输出电流之间的关系基本上成比例。根据本公开，电流镜电路的输入路径包括p沟道MOS晶体管212形式的可控电流源。晶体管212由时钟信号监测电路12的输出121处的信号C控制。信号C控制开关213、214，其中开关213可以关闭晶体管212，并且开关214可以将晶体管212配置为二极管连接的晶体管。可控电流源晶体管212与晶体管202并联连接，因为晶体管202、212具有连接在一起的漏极端子和源极端子。

电路12可以检测时钟信号CLK的异常状态，使其在其输出端子121处启用控制信号C，该控制信号闭合开关214，并且断开开关213，使得晶体管212作为二极管连接，并且与晶体管202并联连接，以便增强通过电流镜电路的输入路径的电流。因此，输出路径晶体管203供应更高的电流通过增益级晶体管201，使得振荡器的振荡恢复，并且振荡器将返回到稳态模式。如果时钟信号监测电路12确定时钟信号CLK中的稳态模式，则晶体管212由于开关214断开且开关213闭合而被关闭。此外，时钟信号监测电路12也可以关闭，使得控制回路不消耗任何功率。晶体管212可以表示形成可控电流源的晶体管阵列。由晶体管212表示的晶体管阵列的开关状态存储在寄存器(附图中未示出)中，使得时钟信号监测电路12能够在不丢失电流源阵列的控制状态的情况下关闭。实际上，振荡电路能够设计为使其当时钟检测电路和相应的控制回路关闭时，在稳态模式下消耗200至300nA(纳安培)的电流。

时钟信号监测电路12可以在电路12的输出侧包括计数器221。计数器221的输出耦合到时钟信号监测电路12的输出121。计数器221确保控制信号C至少在预先确定的时间长度内是激活的，该时间长度可以是时钟信号CLK的至少两个时钟周期。这防止在时钟信号121中的任何毛刺，使得用于提升电流的控制回路稳定。

图3A和3B示出了根据本公开的原理的振荡器电路装置的其他实施例。图3A的电路包括电流镜电路302、303，其中以p沟道MOS晶体管303的形式的输出路径连接到增益级201，并且为增益级晶体管201提供工作电流。电流镜电路的输入路径包括二极管连接的p沟道MOS晶体管302，其漏极端子和栅极端子连接在一起。晶体管302的漏极端子通过恒流源311连接到接地电势GND。可控电流源312连接在晶体管302的漏极端子与接地电势GND之间。可控电流源312由在时钟信号监测电路12的输出处提供的控制信号C控制。可控电流源312可以实现为一个n沟道晶体管，或者实现为由时钟监测电路12的输出信号控制的几个n沟道晶体管的阵列。

除了图3A的电路之外，图3B的振荡器电路装置还包括与晶体管201一起形成增益级的p沟道MOS晶体管320。晶体管201、320的漏极源极路径串联连接。晶体管201、320的串联连接与电流镜电路的输出路径的晶体管303串联连接。晶体管320的栅极端子耦合到晶体管201的漏极端子，并且连接到石英晶体XC。欧姆电阻Rs连接在增益级的输出与石英晶体XC之间，该增益级的输出是晶体管201的漏极端子。电阻Rs对振荡器配置的回路增益有影响。

图2中的电路包括连接到正电源电势VDD的可控电流源，而图3A和3B中的电路包括连接到接地电势GND的可控电流源。

现在转到图4A，示出了监测时钟信号CLK的频移和/或时钟信号CLK的缺失的电路，该电路可以包括在时钟信号监测电路12中。图4A中的电路包括两条路径410、420。路径410包括连接到接地电势GND的电容器413，该电容器由电流源412从正电源电势VDD供应恒定电流。晶体管411的漏极-源极路径与电容器413并联连接。晶体管411的栅极端子供应有时钟信号CLK。如果时钟信号CLK的正沿到达，则电容器413由电流源412持续地充电，并且将通过晶体管411放电。如果电容器413的信号超过施密特触发器的阈值电平，则电容器413上的信号被供应给施密特触发电路414，该施密特触发电路响应于电容器413上的电荷而产生脉冲。

图4A的电路的第二路径420通过反相器421产生反相时钟信号。路径420的其余部分包括与路径410相同的结构。路径410、420耦合到异或门430以产生输出信号。

图4B示出在路径410中存在的代表性信号，以更详细地解释电路的频移检测功能。信号450表示在振荡器的标称振荡频率下正常工作的时钟信号CLK。信号451表示电容器413处的电压信号。时钟信号CLK的下降沿关闭晶体管411，并且允许电容器413充电，而时钟信号CLK的上升沿使电容器413放电。当晶体管411再次由时钟信号的下降沿关闭时，电容器413再次充电。在正常工作中，电容器413上的电压信号低于施密特触发器414的阈值电平460，使得施密特触发器414的输出为零。如果干扰信号影响振荡器，则受到干扰的时钟信号452的频率降低，使得电容器413充电更长时间。电容器413的电压信号453超过施密特触发器414的阈值电平460，在施密特触发器414的输出处引起逻辑“1”。从图4B可以看出，图4A的电路通过对电容器413进行充电和放电并且将电容器电压与施密特触发器阈值进行比较，来监测在时钟信号的脉冲之间的延迟和时钟信号的脉冲的长度。因此，该电路检测振荡是否已达到要被检测的频率偏差量。施密特触发电平460表示时钟信号的频率偏差量的测量。

当耦合到振荡器的干扰信号太强以至于振荡将损失时，电容器充电到电势VDD并且保持在电势VDD，这在施密特触发器的输出处产生逻辑“1”。在振荡损失的情况下，振荡器的输出可以保持在逻辑“0”或逻辑“1”，使得路径410、420之一将在异或门430的输出处产生逻辑“1”。

图5示出了根据本公开的振荡器电路装置在电子设备中的应用。电子设备是电子标签501，例如电子货架标签，其可以安装在超市中的货架上，以显示待销售的商品的信息，例如价格信息、单价信息等。电子货架标签501包括显示信息的显示器530。显示器530可以是LCD(液晶显示器)设备。显示器530的全部或其至少部分或平面以逐行方式控制。实际上，显示器可以由4个平面或象限组成。显示器530的工作响应于根据上述原理实现的振荡器电路装置510提供的时钟信号CLK被控制。此外，时钟信号CLK供应给处理器520，该处理器产生要在显示器530上显示的信息。

电子货架标签501可以靠近产生电磁干扰信号的诸如荧光灯等其他电子设备放置。电子货架标签501可以在几十千赫兹的范围内工作，例如32kHz，而荧光灯的镇流器电路可以在相似的频率范围内工作，使得从它们产生的潜在干扰信号可以耦合到连接到外部石英晶体器件XC的振荡器510的外部端子，并且可能干扰振荡器510的工作。因此，时钟信号CLK的频率可能偏离其共振频率，这能够通过检测时钟信号CLK内的频移确定。响应于干扰，与正常工作相比，时钟信号CLK的频率将降低。在最坏的情况下，振荡器510可能受到干扰而使得振荡完全停止。

本公开的时钟信号监测电路12确定这种事件，并且立即通过可控电流源提供提升电流，使得振荡将重新启动，并且相对较快地达到稳态振荡条件。在需要显示器530或其一部分的下一个刷新操作之前，时钟信号CLK将再次稳定。实际上，可以在36Hz的刷新间隔内重复刷新操作。因此，显示器530上显示的信息将不会受到干扰。

提升电流源的尺寸可以被设计为使得振荡的重新启动尽可能快地执行。由于提升控制回路在电路的数字域中，因此它能够在稳态模式下被关闭，并且在稳态模式下不消耗功率。因此，本公开的振荡器能用于电池供电的超低功率应用，例如电子货架标签。

Claims (13)

1.一种振荡器电路装置，包括：

增益级(201)；

反馈回路，其包括连接到所述增益级的晶体器件(XC)；

时钟信号监测电路(12)，其检测频移和振荡损失中的至少一个，所述时钟信号监测电路耦合到所述增益级的输出端子(102)，并且配置为产生控制信号(C)，所述控制信号控制通过所述增益级(201)的电流。

2.根据权利要求1所述的振荡器电路装置，其中，所述增益级(201)包括用于提供时钟信号(CLK)的输出端子，并且所述时钟信号监测电路(12)配置为，如果检测到所述时钟信号的频移和振荡损失中的至少一个，则产生通过增益级的增加的电流。

3.根据权利要求1或2所述的振荡器电路装置，还包括由所述控制信号(C)控制的可控电流源(212、312)，通过增益级的电流响应于通过所述可控电流源的电流而产生。

4.根据权利要求3所述的振荡器电路装置，还包括电流镜电路，所述可控电流源(212、312)连接到所述电流镜电路的输入路径，所述电流镜电路的输出路径(203、303)连接到增益级(201)以向增益级供应电流。

5.根据权利要求4所述的振荡器电路装置，其中，所述电流镜电路的输入路径包括二极管连接的MOS晶体管(202)，并且所述可控电流源(212)与所述输入路径的MOS晶体管并联连接。

6.根据权利要求4所述的振荡器电路装置，其中，所述电流镜电路的输入路径包括二极管连接的MOS晶体管(302)，并且所述可控电流源(312)与二极管连接的MOS晶体管的漏极源极路径串联连接。

7.根据权利要求5或6所述的振荡器电路装置，其中，所述可控电流源(212、312)包括响应于所述控制信号(C)而切换到导通状态或非导通状态的MOS晶体管。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的振荡器电路装置，其中，所述时钟信号监测电路(12)包括计数器(221)，其输出耦合到时钟信号监测电路的输出，以产生至少预定时间长度的输出信号。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的振荡器电路装置，其中，所述时钟信号监测电路包括：耦合到所述时钟信号(CLK)的第一路径(410)和耦合到反相时钟信号的第二路径(420)，所述第一路径和第二路径均包括：由电流源(412)供电的电容器(413)、与所述电容器并联连接的开关(411)、连接在所述电容器下游的施密特触发器装置(414)、将第一路径和第二路径的施密特触发器装置的输出端子耦合的门(430)。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的振荡器电路装置，其中，所述增益级包括至少一个晶体管(201)，其漏极端子通过晶体器件(XC)耦合到栅极端子，其中，所述晶体器件的端子连接到相应的电容器(C1、C2)。

11.根据权利要求2所述的振荡器电路装置，其中，所述时钟信号监测电路(12)配置为当所述增益级(201)的输出端子上的时钟信号处于稳态模式时关闭。

12.根据权利要求1或2或11所述的振荡器电路装置，还包括：

-包括输入路径和输出路径(203、303)的电流镜电路，所述输入路径包括二极管连接的MOS晶体管(202、302)，所述输出路径连接到增益级(201)以向增益级供应电流；以及

-与二极管连接的MOS晶体管(202、302)并联或串联连接的可控电流源(212、312)，其中，所述可控电流源(212、312)响应于所述控制信号(C)而切换到导电状态和非导电状态之一。

13.一种电子标签装置(501)，包括显示设备(530)和根据权利要求1至12中的任一项所述的振荡器电路装置(510)，其中，所述振荡器电路装置(510)提供时钟信号(CLK)以控制显示设备(530)上的信息的显示。

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