CN113285686B - 低噪声低辐射的晶体振荡器及其方法 - Google Patents

低噪声低辐射的晶体振荡器及其方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种低噪声低辐射的晶体振荡器及其方法，晶体振荡器包含反相器、堆叠二极管(stacked‑diode)反馈网络、波形整形器、晶体、第一分流电容器及第二分流电容器。反相器设置以在第一节点接收第一电压，并且在第二节点输出第二电压。堆叠二极管反馈网络被插入在第一节点与第二节点之间。波形整形器设置以根据第一电压将第二节点耦接至第三节点。晶体被插入在第四节点与第五节点之间，其中第四节点耦接第三节点。第五节点耦接第一节点。第一分流电容器插入在第四节点与接地节点之间。第二分流电容器插入在第五节点与接地节点之间。

Description

低噪声低辐射的晶体振荡器及其方法
技术领域
本公开为一种晶体振荡器(crystal oscillator)，特别是一种低噪声和低辐射的晶体振荡器。
背景技术
如图1所示，晶体振荡器100包含：反相器110设置以在节点101处接收电压VA并在节点102处输出电压VB；自偏压反馈电阻器130插入在节点102与节点101之间；第一可选择电阻器170插入在节点102与节点103之间；第二可选择电阻器160插入在节点104与节点101之间；以及，谐振槽180包含晶体(crystal)120插入在节点103与节点104之间，第一分流电容器150设置以将节点103处的电压VC分流到接地面，以及第二分流电容器140设置以将电压VD分流到接地面。当不使用第一可选择电阻器170时，将其替换为短路。同样地，当不使用第二可选择电阻器160时，将其替换为短路。在一实施例中，反相器110、自偏压反馈电阻器130、第一可选择电阻器170及第二可选择电阻器160整合为制造在半导体衬底上并使用半导体封装进行封装的集成电路，而谐振槽180是外部网络。晶体振荡器100在现有技术中被广泛使用，因此这里不再详细描述。
在常规晶体振荡器100中表现出的一个问题是自偏压反馈电阻器130通常为很大的噪声贡献者，并且可能不利地降低效能。但是，如果没有自偏压反馈电阻器130，晶体振荡器100可能无法振荡。另一个问题表现在电压VC的波形中，所述波形接近于包含丰富谐波的方波，通常会导致不希望的高频辐射。在授予林(Lin)的美国专利10,291,180中，Lin启示了一种晶体振荡器可以减轻自偏置反馈电阻器130的噪声，但是不能解决辐射问题。
期望的是具有低噪声和低辐射的晶体振荡器。
发明内容
在一实施例中，一种晶体振荡器包含：反相器，设置以在第一节点接收第一电压并在第二节点输出第二电压；反馈网络，插入第一节点与第二节点之间，反馈网络包含第一分支及第二分支并联连接，第一分支包含沿着正向堆叠的第一二极管及第二二极管，第二分支包含沿着反向堆叠的第三二极管及第四二极管；波形整形器，设置以将第二节点耦接至第三节点，波形整形器包含并联连接的耦合电阻、NMOS晶体管及PMOS晶体管；晶体，插入在第四节点与第五节点之间，其中第四节点耦接到第三节点，第五节点耦接到第一节点；第一分流电容器，插入在第四节点与接地节点之间；第二分流电容器，插入在第五节点与接地节点之间。
在一实施例中，一种方法包含：结合反相器以将第一节点的第一电压放大为位于第二节点的第二电压；在第二节点与第三节点之间插入波形整形器，其中波形整形器包含并联连接的电阻器、NMOS(N通道金属氧化物半导体)晶体管及PMOS(P通道金属氧化物半导体)晶体管；在第四节点与第五节点之间插入晶体，其中第四节点耦接到第三节点，第五节点耦接到第一节点；在第四节点与接地节点之间插入第一分流电容器；在第五节点与接地节点之间插入第二分流电容器；以及在第二节点与第一节点之间插入反馈网络，其中反馈网络包含并联连接的第一分支及第二分支，第一分支包含沿着正向堆叠的第一二极管及第二二极管，第二分支包含沿着反向堆叠的第三二极管及第四二极管。
附图说明
图1为根据现有技术的晶体振荡器的示意图。
图2为根据本公开的晶体振荡器的一实施例的示意图。
图3为根据本公开的反相器的一实施例的示意图。
图4为根据图2的晶体振荡器的模拟波形。
图5为根据本公开方法的流程图。
符号说明
100：晶体振荡器
101：节点
102：节点
103：节点
104：节点
110：反相器
120：晶体
130：反馈电阻器
140：第二分流电容器
150：第一分流电容器
160：第二可选择电阻器
170：第一可选择电阻器
180：谐振槽
200：晶体振荡器
201：第一节点
202：第二节点
203：第三节点
204：第四节点
205：第五节点
210：反相器
220：反馈网络
221：第一二极管
222：第二二极管
223：第三二极管
224：第四二极管
230：谐振槽
231：第一分流电容器
232：第二分流电容器
233：晶体
240：波形整形器
241：NMOS晶体管
242：PMOS晶体管
243：耦合电阻器
251：第一可选择电阻器
252：第二可选择电阻器
401：第一扭结
402：第二扭结
500：流程图
510：步骤
520：步骤
530：步骤
540：步骤
550：步骤
560：步骤
570：步骤
580：步骤
VA：电压
VB：电压
VC：电压
VD：电压
V1：第一电压
V2：第二电压
V3：第三电压
V4：第四电压
V5：第五电压
VDD：电压
MP：PMOS晶体管
MN：NMOS晶体管
具体实施方式
本公开的一实施例有关晶体振荡器。尽管说明书描述数个本公开的具体示范实施例，其涉及本公开的一实施例实施时的较佳模式，但是应该理解，本公开的一实施例可通过多种方式来实现，并不限于下面描述的特定实施范例或特定方式，且特定实施范例或方式具有被实施的任何特征。在其他情况下，众所周知的细节不会被显示或描述，以避免模糊本公开的一实施例的特征。
本领域的技术人员应理解与本公开的一实施例中使用与微电子相关的术语和基本概念，例如，“互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor；CMOS)”、“P通道金属氧化物半导体(P-channel Metal-Oxide Semiconductor；PMOS)晶体管”、“N通道金属氧化物半导体(N-channel Metal-Oxide Semiconductor；NMOS)晶体管”、“节点”、“接地”、“电压”、“频率”、“相位”、“谐振槽(resonant tank)”、“晶体”和“反相器”。这些术语用于微电子学的背景中，并且相关概念对于本领域的技术人员来说是显而易见的，因此不会在这里详细解释。
本领域的技术人员亦可以识别电容器、电阻器、二极管、接地的符号，并可识别PMOS晶体管和NMOS晶体管的MOS(金属氧化物半导体)晶体管符号，并识别其“源极”、“栅极”和“漏极”端子。本领域技术人员可以阅读包含电容器、电阻器、二极管、NMOS晶体管和PMOS晶体管的电路示意图，并且不需要在示意图中对一电路元件如何与另一电路元件进行连接的详细描述。本领域技术人员亦可理解诸如兆赫兹(Mega Hertz；MHz)、微米(μm)、纳米(nm)及皮法拉(pF)之类的单位。
从工程角度来呈现本公开的一实施例，例如，“A等于B”表示“A和B之间的差值小于一特定的工程公差”。
在本公开的一实施例中，VDD定义为电源供应节点。
图2为根据本公开的晶体振荡器200的一实施例的示意图。晶体振荡器200包含：反相器210，设置以在第一节点201处接收第一电压V1并且在第二节点202处输出第二电压V2；反馈网络220，插入(inserted)在第一节点201与第二节点202之间，其中反馈网络220包含并联(parallel)连接的第一分支(branch)及第二分支，第一分支包含沿着正向堆叠(stacked)的第一二极管221及第二二极管222，第二分支包含沿着反向堆叠的第三二极管223及第四二极管224；波形整形器240，设置以在第二节点202处接收第二电压V2并在第三节点203处输出第三电压V3；第一可选择电阻器251，插入在第三节点203与第四节点204之间；第二可选择电阻器252，插入第五节点205与第一节点201之间；以及谐振槽230，包含晶体233，插入在第四节点204与第五节点205之间，第一分流电容器231，设置以将第四节点204处的第四电压V4接地，以及第二分流电容器232，设置以将第五节点205处的第五电压V5接地。第一(第二)可选择电阻器251(252)被认为是可选择的，因为它可以具有零欧姆的电阻值，并且可以由电路设计者决定是否短路。反相器210设置以提供维持振荡所需的增益。谐振槽230设置以确定振荡频率，谐振槽230以所述振荡频率提供满足振荡条件所需的大约180度的相位移。可以从第一节点201的第一电压V1或第二节点202的第二电压V2汲取振荡的输出。第一可选择电阻器251可以用于减小晶体233的驱动水平，以避免大的振荡信号损坏晶体233。第二可选择电阻器252用于在发生静电放电事件的情况下保护反相器210。
在一个实施例中，四个二极管221、222、223、224是从具有阈值电压Vth的同一二极管装置实例化的，其中，当二极管装置两端的电压低于阈值电压Vth时，二极管装置被截止(turned off)，当二极管装置两端的电压高于阈值电压Vth时，二极管装置导通(turnedon)。将反相器210的跳变点(trip point)设为VM。(“跳变点”的概念已为本领域通常技术人员所熟知，因此在此不再详细说明)。当V1-V2高于2Vth时，二极管221、222导通(因数2是由于两个二极管堆叠)，否则截止。当V1-V2低于-2Vth时，二极管223、224导通(因数2是由于两个二极管堆叠)，否则二极管223、224截止。因此，仅当|V1-V2|超过阈值电压Vth的两倍时，反馈网络220才导通并传导电流，从而产生噪声。然而，当振荡输出较小时，晶体振荡器200最容易受到噪声的影响，即|V1-VM|很小，并且|V2-VM|和|V1-V2|也很小，但当发生此情况时，反馈网络220截止。因此，当晶体振荡器200最容易受到噪声影响时，反馈网络220几乎不产生噪声，并且仅当|V1-V2|较大且晶体振荡器200相对不受噪声影响时，反馈网络220才产生噪声。如此，晶体振荡器200可以具有比图1的现有技术晶体振荡器100更好的效能。
然而，由反馈网络220引起的问题是：由于反馈网络220的突然导通，当V2-V1上升到高于2Vth或下降到低于-2Vth时，第二电压V2遇到突然的阻碍，并且这使第二电压V2的波形轻微扭结(kink)。为了减轻这个问题，引入了波形整形器240。波形整形器240包含并联连接的耦合电阻器243、受第一电压V1控制的NMOS晶体管241及也受第一电压V1控制的PMOS晶体管242。当|V1-VM|较小，|V2-VM|也小，则NMOS晶体管241及PMOS晶体管242截止，波形整形器240的总电阻值等于耦合电阻器243的电阻值。当第一电压V1比VM高(低)一定量时，NMOS晶体管241(PMOS晶体管242)导通，从而使波形整形器240的总电阻值小于耦合电阻器243的电阻值。结果，当|V1-VM|较小时，波形整形器240具有较高的总电阻值，这导致第三电压V3相对于第二电压V2具有较大的延迟，并且具有较低的总电阻值，当|V1-VM|较大时，导致第三电压V3与第二电压V2的延迟较小。这使得第三电压V3具有适度的从小到大的信号过渡，从而减轻了第二电压V2的波形中的轻微扭结的问题。这样，在第三电压V3中抑制了高频谐波，并且减轻所不期望的辐射(emission)。
在未由附图示出的替代实施例中，NMOS晶体管241的栅极(gate)连接到“电压VDD”(电源供应节点)而不是第一节点201，并且PMOS晶体管242的栅极接地而不是第一节点201。所述替代实施例仍然起作用，但是在减轻不期望的辐射方面不是有效的，因为波形整形器240的总电阻值没有根据振荡信号有效地调节。
图3为根据本公开的反相器210的一实施例的示意图。反相器210包含NMOS晶体管MN及PMOS晶体管MP。反相器210对于本领域通常技术人员很好地理解，因此这里不再详细描述。
举例但不限于：电压VDD为1.05V；NMOS晶体管MN的宽度及长度分别为400μm及600nm；PMOS晶体管MP的宽度和长度分别为540μm和600nm；耦合电阻器243为200Ohm；NMOS晶体管241的宽度和长度分别为120μm和30nm；PMOS晶体管242的宽度及长度分别为120μm及30nm；晶体233的谐振频率为40MHz；第一分流电容器231和第二分流电容器232均为15pF；第一可选择电阻器251为40Ohm；第二可选择电阻器252为40Ohm；四个二极管221、222、223、224全部由配置成二极管连接拓扑(diode-connected topology)的PMOS晶体管实现，其中PMOS晶体管的宽度及长度分别为1600nm及60nm。如果MOS(金属氧化物半导体)晶体管的栅极端子及漏极(drain)端子直接连接在一起，则可以说所述MOS晶体管(NMOS晶体管或PMOS晶体管)设置以二极管连接拓扑结构。对于本领域通常技术人员来说，“以二极管连接拓扑结构配置的MOS晶体管可以用来实现二极管”的描述是本领域通常技术人员所熟知的，因此这里不再详细描述。在一替代实施例中，四个二极管221、222、223、224全部由配置成二极管连接拓扑的NMOS晶体管来实现。
在一个振荡周期内的电压V1、V2、V3的模拟波形如图4所示。如图所示，当V1-V2下降到-2Vth以下(此处，电压Vth约为260mV)时，在第二电压V2中存在第一扭结401，而当V1-V2上升到2Vth以上时，存在第二扭结402。由于波形整形器240，第三电压V3的波形中没有扭结，并且抑制了高频谐波。如此，辐射问题得以解决。
如图5所示的流程图500，一种方法包含：结合反相器以将第一节点的第一电压放大至第二节点的第二电压(步骤510)；在第二节点与第三节点之间插入波形整形器，其中波形整形器包含并联连接的电阻器、NMOS(N沟道金属氧化物半导体)晶体管及PMOS(P沟道金属氧化物半导体)晶体管(步骤520)；在第三节点与第四节点之间插入第一可选择电阻器(步骤530)；在第一节点与第五节点之间插入第二可选择电阻器(步骤540)；在第四节点与第五节点之间插入晶体(步骤550)；在第四节点与接地节点之间插入第一分流电容器(步骤560)；在第五节点与接地节点之间插入第二分流电容器(步骤570)；以及在第二节点与第一节点之间插入反馈网络，其中，反馈网络包含并联连接的第一分支及第二分支，第一分支包含沿着正向方向堆叠的第一二极管和第二二极管，第二分支包含沿着反向方向堆叠的第三二极管及第四二极管(步骤580)。
相较于如图1所示的现有技术的晶体振荡器100，晶体振荡器200包含两个创新特征：首先，反馈网络220取代自偏压反馈电阻器130；再者，增加波形整形器240。反馈网络220的目的为允许晶体振荡器200具有低噪声，而波形整形器240的目的为减少输出的谐波含量，从而允许晶体振荡器200具有低辐射。结合使用反馈网络220和波形整形器240，晶体振荡器200可为低噪声和低辐射的晶体振荡器。然而，如果应用仅要求低噪声而不是低辐射，则可去除波形整形器240(并且第二节点202和第三节点203被短路)。如果应用仅要求低辐射而不是低噪声，则可去除反馈网络220，并以自偏压反馈电阻器取代(就如同现有技术的自偏压反馈电阻器130)。如此，可降低晶体振荡器200的复杂度，同时仍然满足应用设置的要求。
以上所述的实施例仅为说明本公开的技术思想及特点，其目的在使熟悉此项技术者能够了解本公开的内容并据以实施，当不能以的限定本公开的权利要求，即大凡依本公开所公开的构思所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本公开的权利要求内。

Claims (10)

1.一种晶体振荡器，包含：
一反相器，设置以在一第一节点接收一第一电压并在一第二节点输出一第二电压；
一反馈网络，插入在该第一节点与该第二节点之间，该反馈网络包含并联连接的一第一分支及一第二分支，该第一分支包含在正向方向上堆叠的一第一二极管及一第二二极管，该第二分支包含在反向方向上堆叠的一第三二极管及一第四二极管；
一波形整形器，设置以根据该第一电压将该第二节点耦接至一第三节点，该波形整形器包含并联连接的一耦合电阻器、一NMOS晶体管及一PMOS晶体管；
一晶体，插入在一第四节点与一第五节点之间，其中该第四节点耦接至该第三节点，该第五节点耦接至该第一节点；
一第一分流电容器，插入在该第四节点与一接地节点之间；及
一第二分流电容器，插入在该第五节点与该接地节点之间。
2.如权利要求1所述的晶体振荡器，其中，该NMOS晶体管及该PMOS晶体管通过该第一电压控制。
3.一种晶体振荡器，包含：
一反相器，设置以在一第一节点接收一第一电压并在一第二节点输出一第二电压；
一反馈网络，插入在该第一节点与该第二节点之间，该反馈网络包含并联连接的一第一分支及一第二分支，该第一分支包含在正向方向上堆叠的一第一二极管及一第二二极管，该第二分支包含在反向方向上堆叠的一第三二极管及一第四二极管；
一晶体，插入在一第四节点与一第五节点之间，其中该第四节点耦接至该第二节点，该第五节点耦接至该第一节点；
一第一分流电容器，插入在该第四节点与一接地节点之间；及
一第二分流电容器，插入在该第五节点与该接地节点之间。
4.如权利要求3所述的晶体振荡器，其中，该晶体振荡器还包含：
一第一可选择电阻器，插入在该第二节点与该第四节点之间；及
一第二可选择电阻器，插入在该第五节点与该第一节点之间。
5.如权利要求3所述的晶体振荡器，其中，该第一二极管、该第二二极管、该第三二极管及该第四二极管中的每一者通过以一二极管连接拓扑结构配置的一MOS晶体管来实现。
6.如权利要求3所述的晶体振荡器，其中，该第一二极管、该第二二极管、该第三二极管及该第四二极管中的每一者通过以一二极管连接拓扑结构配置的一PMOS晶体管来实现。
7.如权利要求3所述的晶体振荡器，其中，该第一二极管、该第二二极管、该第三二极管及该第四二极管中的每一者通过以一二极管连接拓扑结构配置的一NMOS晶体管来实现。
8.一种晶体振荡器，包含：
一反相器，设置以在一第一节点接收一第一电压并在一第二节点输出一第二电压；
一反馈电阻器，插入在该第一节点与该第二节点之间；
一波形整形器，设置以根据该第一电压将该第二节点耦接至一第三节点，该波形整形器包含并联连接的一耦合电阻器、一NMOS晶体管及一PMOS晶体管；
一晶体，插入在一第四节点与一第五节点之间，其中该第四节点耦接至该第三节点，该第五节点耦接至该第一节点；
一第一分流电容器，插入在该第四节点与一接地节点之间；及
一第二分流电容器，插入在该第五节点与该接地节点之间。
9.如权利要求8所述的晶体振荡器，其中，该晶体振荡器还包含：
一第一可选择电阻器，插入在该第三节点与该第四节点之间；及
一第二可选择电阻器，插入在该第五节点与该第一节点之间。
10.一种晶体振荡方法，包含：
结合一反相器以将一第一节点的一第一电压放大为位于一第二节点的一第二电压；
在一第四节点与一第五节点之间插入一晶体，其中该第四节点耦接到该第二节点，该第五节点耦接至该第一节点；
在该第四节点与一接地节点之间插入一第一分流电容器；
在该第五节点与该接地节点之间插入一第二分流电容器；及
在该第二节点与该第一节点之间插入一反馈网络，其中，反馈网络包含并联连接的一第一分支及一第二分支，该第一分支包含沿正向方向堆叠的一第一二极管及一第二二极管，该第二分支包含沿反向方向堆叠的一第三二极管及一第四二极管。
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