CN1698262A

CN1698262A - 晶体振荡电路

Info

Publication number: CN1698262A
Application number: CN200480000041.5A
Authority: CN
Inventors: 立山雄一
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-03-06
Filing date: 2004-03-03
Publication date: 2005-11-16
Also published as: EP1587211A1; US20050225405A1; JPWO2004079895A1; WO2004079895A1; US7286023B2; EP1587211A4

Abstract

本发明的一个目的是得到具有低相位噪声的稳定工作。此外，本发明的另一个目的是得到一个不会引起启动时间延迟的振荡输出。根据本发明，可能实施这样的一个晶体振荡电路，该电路能够把由反馈电路(5)反馈晶体振荡元件(10)的振荡输出而得到的信号叠加在控制信号上，以便选择负载电容选择部分(3)的负载电容，并且能使控制信号的电压噪声难于对MOS晶体管(50)产生影响，从而能减少相位噪声，并进而在启动时的一段时间内限制要输入到负载电容选择部分(3)中的控制信号，并在短时间内进行启动。

Description

晶体振荡电路

技术领域

本发明涉及一种晶体振荡电路，它是一种使用能得到较大的振荡输出、能在短时间内启动、并能实现低相位噪声的晶体的振荡器。

背景技术

近几年来，晶体振荡电路常用于在电子设备中产生基准频率，并进而提高数据传输速率。在这样的电子设备中，为了得到低功率消耗，进行间歇的工作和低电压工作，并且为了减少相位噪声，还需要有基准频率。由于这个原因，希望有一种晶体振荡电路，其中，对于用以得到这些频率作为基准的晶体振荡电路，能够在短时间内进行启动，产生低的相位噪声，并得到恒定的振荡输出。因此，作为电路技术而言，振荡电路是非常有用的。

例如，在专利文献1中所描述的晶体振荡电路已为大家所知。下面将要描述一个常规的晶体振荡电路。图9是一个电路图，此图示出了常规的晶体振荡电路的一个例子。在图9中，2表示振荡电路部分，3表示负载电容选择部分，10表示晶体振荡元件。常规的晶体振荡电路具有这样的结构，如：由电源端子11提供振荡电路部分2的电源，由晶体振荡元件10、振荡电路部分2和负载电容选择部分3来构成振荡回路，并由频率调整电路6、灵敏度调整电路7和频率设置电路8来控制负载电容选择部分3，从而将灵敏度调整为振荡频率变化速率(下文中将称其为频率灵敏度)。

下面将参照具有上述结构的晶体振荡电路来说明此电路的工作。在从电源端子11施加电压时，电压提供给了振荡电路部分2、负载电容选择部分3和晶体振荡元件10，进而，电势施加于负载电容选择部分3的控制端子，以确定从晶体振荡元件10上看到的负载电容，并根据(方程1)及(方程2)来确定频率。

(方程1)

f＝1/(2×π×(L1×C1)0.5)×(1+C1/(C0+CL))0.5

(方程2)

CL＝C01×C02/(C1+C2)

在(方程1)和(方程2)中，L1、C1和C0代表晶体振荡元件的一个等效电路常量，CL代表从晶体振荡元件上看到的负载电容，C01和C02代表由负载电容选择部分选出的电容值。

此外，控制负载电容选择部分3的MOS(金属氧化物半导体)晶体管的栅极电压，以使振荡频率可以改变，从而响应由频率调整电路6、灵敏度调整电路7和频率设置电路8控制的电压信号。当MOS晶体管47到49以及MOS晶体管部分的47′到49′设置在断路(OFF)状态下时，如果在负载电容选择部分3的开关部分中，串联连接的电容器20、21、20′和21′和开关35、36、35′和36′是设置在断路(OFF)的状态下，那么，负载电容就等效于非连接状态。另外，还可以根据开关部分的开关35、36、35′和36′的状态，将整个的负载电容设置为仅一个与开关串联连接的电容。

与此相反，当把MOS晶体管设置在接通(ON)状态下时，只对与开关35、36、35′和36′串联连接的几个电容器20、21、20′和21′及MOS晶体管在接通(ON)状态下的一个电容器设置负载电容，如果MOS晶体管在接通(ON)状态下的电阻足够的低。因此，通过将施加到与电容器串联的MOS晶体管47到49以及47′到49′的栅极上的控制电压，并通过控制开关35到39以及35′到39′，就能够自由地设置频率灵敏度。

(专利文献1) JP-A-9-102714出版物

然而，在图9所示的振荡电路中，将由频率调整电路、灵敏度调整电路和频率设置电路控制的电压信号施加到负载电容选择部分的每个MOS晶体管的栅极上。因此，一旦受到受控的电压信号的电压噪声的影响，MOS晶体管的接通状态下的电阻就会立即发生改变。从而，改变负载电容选择部分的电容值，使得频率变化，因而增加了抖动。其结果是，存在一个通常未解决的问题，这就是增加了相位噪声。

此外，还有一个问题，即，为了切换具有预定电容值的负载电容，在切换时非连续地改变相位，这会导致在这样的一个结构中相位噪声明显劣化，这样的结构是：为了根据温度特征来改变负载电容，要使得负载电容是可以变化的以改变振荡频率。

此外，启动时间的减少取决于启动时的幅值和正常状态下的幅值之比，以及负电阻R的值、负载电容和放大因数。由于这个原因，在图9所示的一个常规例子的振荡电路中，配备了调整频率灵敏度的开关，与没有配备开关的振荡电路相比，前者就能连接从晶体振荡元件上看到的负载电容，以便在负电阻R和在启动时要输入到振荡电路中的幅值之间产生一个差别。其结果又产生了一个问题，这就是延迟了启动时间。

为了解决在常规工艺技术中的这些问题，本发明的一个目的是提供一种晶体振荡电路，它能够进行低相位噪声的稳定工作。此外，本发明的一个目的是提供一种晶体振荡电路，它能够有一个不延迟启动时间的振荡输出。

发明内容

本发明的提供了一种晶体振荡电路，它包括：用于振荡晶体振荡元件的振荡部分；用于通过选择电容值来改变振荡频率的负载电容选择部分；第一调整部分，它调整负载电容选择部分的电容值以响应提供给负载电容选择部分的第一控制信号，其中，负载电容选择部分连接至用于输出第二控制信号的第二调整部分，在第二控制信号中，单位周期的积分值为零。根据此结构，除了可调整负载电容选择部分的电容值以响应第一控制信号而外，还可调整电容值以响应其中的单位周期的积分值为零的第二控制信号。因此，有可能减少由控制信号电压的电压噪声引起的相位噪声，并可能根据转换电容值时的电压变化来缓慢地改变振荡频率。

此外，在本发明的晶体振荡电路中，第二调整部分产生其频率与振荡频率相等的信号。

另外，根据本发明的晶体振荡电路还包括反馈部分，用以将振荡部分的输出作为第二控制信号反馈给负载电容选择部分。

此外，在根据本发明的晶体振荡电路中，负载电容选择部分包括多个彼此并联连接并具有彼此不同工作电压的晶体管以及与这些晶体管串联连接的电容。根据此结构来改变每个晶体管的工作电压。从而，可以增大输入电压的可变范围，并能更缓慢地改变振荡频率。

此外，根据本发明的晶体振荡电路还包括限制部分，用于在接通电源后的一段固定时间内，限制提供给负载电容选择部分的第一和第二控制信号。根据此结构，在施加电源电压后的一段固定时间内，限制向负载电容选择部分输入控制信号。因此，在施加电源电压后并非立即把电压施加到负载电容选择部分上，而是减少从晶体振荡元件上看到的电容。其结果是，能在短时间内进行启动。

另外，在根据本发明的晶体振荡电路中，晶体管是MOS晶体管。此外，在根据本发明的晶体振荡电路中，晶体管还可以是双极晶体管。另外，在根据本发明的晶体振荡电路中，振荡部分包括双极晶体管和电阻器。进而，根据本发明的晶体振荡电路还包括晶体振荡元件。

附图说明

图1(a)是方块图，该图根据本发明实施例中的例子1，示出了晶体振荡电路，图1(b)是电路图。

图2(a)是方块图，该图根据本发明实施例中的例子2，示出了晶体振荡电路，图2(b)是电路图。

图3是曲线图，它示出了按照例子1和2的晶体振荡电路的输出频率的变化。

图4(a)是方块图，该图根据本发明实施例中的例子3，示出了晶体振荡电路，图4(b)是电路图。

图5是曲线图，该图示出了在这种情况下晶体振荡电路的输出频率的变化，这种情况是，其中，将包括MOS晶体管和电容器在内的一组负载电容在两个级上并联连接起来，在此，在负载电容选择部分中，MOS晶体管和电容器是彼此串联连接的。

图6(a)是方块图，该图根据本发明实施例中的例子4，示出了晶体振荡电路，图6(b)是电路图。

图7是电路图，该图根据本发明的例子，示出了使用可变电压电源的晶体振荡电路(负载电容有一个级的情况)。

图8是电路图，该图根据本发明的例子，示出了使用可变电压电源的晶体振荡电路(负载电容有多个级的情况)。

图9是电路图，该图示出了常规的晶体振荡电路。

在附图中，1表示恒压电源，2表示振荡电路部分，3表示负载电容选择部分，4表示放大电路，5表示反馈电路，6表示频率调整电路，7表示灵敏度调整电路，8表示频率设置电路，9表示启动时间调整电路，10表示晶体振荡元件，11表示电源端子，12表示恒压电路，14表示输出端子，15表示外部应用端子，17到18表示晶体连接端子，20到28、30、31和20′至24′表示电容器，35到39和35′到39′表示开关，41到43表示电阻器，44到46表示倒相器，47到52和47′到49′表示MOS晶体管，61表示可变电压电源。

具体实施方式

以下将参照附图来详细说明本发明的实施例。

图1(a)是方块图，该图根据本发明的实施例中的例子1，示出了晶体振荡电路，图1(b)是电路图。如图1(b)所示，由恒压电源1通过施加至电源端子11的电压向振荡装置的振荡电路部分2以及放大电路4施加恒定的电压。在振荡电路部分2中，恒压电源1和倒相器45是彼此相连的，进而，将电阻器41反馈连接到与放大电路4相连的倒相器45的输入/输出端子上。此外，电阻器42的端子之一与倒相器45的输出端子相连，晶体振荡元件10和形成晶体振荡元件10的负载电容的负载电容选择部分3的电容器26与电阻器42的另一端子相连。

进而，将MOS晶体管50与电容器26串联连接起来，以便在从晶体振荡元件10上看到的一端上形成负载电容。形成负载电容的负载电容选择部分3的电容器25与晶体振荡元件10的另一端子相连，并与倒相器45的输入端子相连。此外，在放大电路4中的倒相器44的输出端子与反馈电路5中的电容器27的端子之一相连，电容器27的另一端子与电容器28和负载电容选择部分3的MOS晶体管50的栅极相连，以构成一个晶体振荡电路。

下面将根据具有上述结构的例子1来描述晶体振荡电路的工作。在把电源电压施加到电源端子11上时，由稳压电路12输出一个REG(调节)电压。在开始激励起晶体振荡元件之后，由外加电压来提供稳定的振荡频率，以选择一个负载电容和选择在负载电容选择部分3中适合的电容，以响应由反馈电路5发送的反馈信号。

此时，为了便于启动，在施加了电源和振荡电路的负电阻量之后，立即由施加到晶体振荡元件10上的瞬变电压首先决定一个时间。由激励电流来确定瞬变电压，而激励电流是根据晶体振荡元件10的绝对电阻和在负载电容选择部分3中选择的电容值，并通过对REG电压分压而得到的，按照(方程3)来计算启动时间。

(方程3)

Tst＝2×L1/(R-R1)×ln(k)

在(方程3)中，L1和R1代表晶体振荡元件的等效电路常数，k代表稳定状态下的幅值和启动时的幅值之比，R代表振荡电路部分的负电阻。

由(方程3)可知，启动时间取决于启动幅值和稳定态幅值之比以及负电阻R。进而，负电阻R主要是由晶体管的工作状态(一个小信号)决定的，并且，在振荡电路部分2和负载电容选择部分3中，负电阻R由(方程4)来计算。

(方程4)

R＝-gm/(C01×C02×ω2)

在(方程4)中，gm代表放大率，C01和C02代表从晶体振荡元件上看到的负载电容，ω代表频率角速度。

由(方程4)还可以看出，负电阻R与负载电容和放大因数有依存性。为了减少在(方程3)和(方程4)中的启动时间，由以下几个因素来决定负电阻R：在启动时与晶体振荡元件10相关的幅值，稳定态中的幅值和启动时的幅值之比，负电阻R，负载电容和放大因数。

此外，在根据例子1的晶体振荡电路中，由反馈电路5来反馈由晶体振荡元件10振荡的输出，并将该输出施加到MOS晶体管50的栅极上。其结果是，振荡输出被叠加在由频率调整电路6输入的负载电容选择控制信号上，以便控制负载电容选择部分3并调整振荡频率的频率灵敏度，而且负载电容选择控制信号的电压噪声难于对MOS晶体管50产生影响。因此，能够减少相位噪声。

图2(a)是方块图，该图根据本发明实施例中的例子2，示出了晶体振荡电路，图2(b)是电路图。如图2(b)所示，除了供外部应用的端子15是通过电阻器43连接到MOS晶体管50的栅极上，以代替在图1(b)的晶体振荡电路中的反馈电路5的结构而外，使用了相同的结构，并且，凡具有大致等效功能的部件都有相同的标识号，因此不再重复说明。

还是在例子2中，按照与例1相同的方式，将一个其单位周期积分值为零且从一个端子输入以施加外部电压的信号同步叠加在负载电容选择部分3的且要施加到MOS晶体管50的栅极上的负载电容选择控制信号上，该控制信号的电压噪声难于对MOS晶体管50产生影响。因此，能够减少相位噪声。

图3是曲线图，该图示出了例子1和2中晶体振荡电路的输出频率的变化，其中，横坐标表示来自频率调整电路6的电压输入，纵坐标表示晶体振荡电路的输出频率。如图中虚线所示，在常规的振荡电路中，在电压1附近的一个小的电压范围(输入D范围A)内，输出频率突然改变为MOS晶体管50的工作电压。由于这个缘故，在常规的振荡电路中，必须精细地设置输入电压，或者通过在两个级中切换的、等于或大于输入D范围的电压来调整电压，以调整输出频率。另一方面，如图中实线所示，在根据例子1和2的每一个的振荡电路中，在电压1附近的一个较宽的电压范围(输入D范围B)内，输出频率缓慢地改变了。因此，在根据例子1和2的每一个的振荡电路中，并不必精细地设置输入电压以调整输出频率。这样，就能够容易地进行控制。

图4(a)是方块图，该图根据本发明实施例中的例子3，示出晶体振荡电路，图4(b)是电路图。如图4(b)所示，除了电容器30和31以及MOS晶体管51和52还与负载电容相连的结构而外，使用了相同的结构，在此，在上述的图1(b)所示的晶体振荡电路中的负载电容选择部分3之内，电容器26和MOS晶体管50是串联连接的。在例子3中，凡具有与例1中的部件几乎等效功能的部件都有相同的标识号，在此不再重述。

在例子3中，依照图4(b)所示的结构，这一组负载电容包括与在负载电容选择部分3中的MOS晶体管50串联连接的电容器26在内，是在三个级中并联连接的。通过提供多个负载电容，有可能消除在通过控制信号的电压差来切换负载电容时所产生的不连续点。

图5是曲线图，它示出了在这种情况下晶体振荡电路的输出频率的变化，这种情况是，其中，这一组负载电容是在两个级中并联连接的，并包括一个MOS晶体管和一个电容器在内，它们在负载电容选择部分中是彼此串联连接的，图中横坐标表示要从频率调整电路6中输入的电压，纵坐标表示晶体振荡电路的输出频率。MOS晶体管的工作电压是彼此不同的。如图中虚线所示，在常规的振荡电路中，分别在电压1和2附近的一个小的电压范围内，输出频率突然改变。由于这个缘故，在常规的振荡电路中，必须使电压1和2彼此接近，以便使输出频率尽可能缓慢地改变，此外，还必须精细地设置输入电压，以便进而调整输出频率。另一方面，如图中实线所示，在根据此例子的振荡电路中，在电压1和2附近的一个宽的电压范围内，输出频率缓慢地改变。因此，在根据此例的振荡电路中，晶体管的工作电压是彼此不同的。其结果是，有可能扩大输入电压的可变化范围，并更加缓慢地改变振荡频率。因此，根据此例的振荡电路，不必精细地设置输入电压以调整输出频率。这样，就能更容易地进行控制。

图6(a)是方块图，该图根据本发明实施例中的例子4，示出了晶体振荡电路，图6(b)是电路图。如图6(b)所示，除了配置有一个启动时间调整电路9的结构而外，使用了相同的结构，启动时间调整电路9用于在上述的图1(b)所示的晶体振荡电路中，在启动期间，将GND(接地)或一个脉冲在一段时间内施加到负载电容选择部分3中的MOS晶体管的栅极上，凡具有大致等效功能的部件都有相同的标识号，在此不再重述描述。

在例子4中，在由启动时间调整电路9启动后的一段时间内，限制向负载电容选择部分3中输入控制信号。因此，参照要作为恒压电源1的输出电压的REG电压，将REG电压作为瞬变电压施加到晶体振荡元件10上。用激励电流来激励晶体振荡元件10并使其开始振荡，在此，激励电流是利用晶体振荡元件10的绝对电阻并通过分压REG电压而得到的。在激励晶体振荡元件10之后，将从反馈电路5上反馈的振荡输出信号叠加在从频率调整电路6上施加的电压控制信号上，从而可由负载电容选择部分3来选择适合的负载电容，并能得到稳定的传输频率。根据例子4，能在短时间内启动振荡。进而，在启动之后，能够提供稳定的振荡频率。

在这样的电路结构中，由负电阻R决定的冲击不足(shock shortage)在电源电压的工作中造成启动时间延迟，改进了负载电容，并将振荡输出的反馈信号和负载电容选择控制信号叠加起来并输入到上述的负载电容选择部分3中，因此，利用这样的电路结构，可能得到一个能在短时间内启动并能实现低相位噪声的晶体振荡电路。

尽管此说明是针对这样的一种情况，在此情况下，频率调整电路6调整负载电容选择部分的电容值，以响应提供给负载电容选择部分的控制信号，但是，也可能使用可变电压电源来代替示于图7(负载电容只有一个级的情况)和图8(负载电容有多个级的情况)中的频率调整电路。

尽管是针对一个电路的例子作了说明，而且在此电路的每个例子中，使用了振荡电路部分2的倒相器和负载电容选择部分3的MOS晶体管，但是，即便是用双极晶体管来代替倒相器和MOS晶体管，也可能得到相同的效益。

此申请书基于2003年3月6日提交的日本专利申请书No.2003-059546，现将该专利申请书的要点归并于此，以供参考。

工业实用性

如上所述，根据本发明，通过把从反馈电路的振荡输出反馈的信号叠加到负载电容选择控制信号上，以调整振荡频率的频率灵敏度，可能得到具有低相位噪声的输出。此外，根据本发明，还可能产生这样的一个好处，这就是实施一种晶体振荡电路，其中，控制信号的输入是限制在开始进行启动时的短时间内，从而能在启动后得到稳定的振荡输出。

Claims

1.一种晶体振荡电路，包括：

振荡部分，用以振荡晶体振荡元件；

负载电容选择部分，用于通过选择电容值来改变振荡频率；

第一调整部分，用以调整所述负载电容选择部分的电容值，以响应提供给所述负载电容选择部分的第一控制信号；

在此，所述负载电容选择部分与用于输出第二控制信号的第二调整部分相连接，在所述第二控制信号中，单位周期的积分值为零。

2.根据权利要求1所述的晶体振荡电路，

在此，所述第二调整部分产生其频率与所述振荡频率相等的信号。

3.根据权利要求1或2所述的晶体振荡电路，还包括：

反馈部分，用以将所述振荡部分的输出作为所述第二控制信号反馈到所述负载电容选择部分中。

4.根据权利要求1到3中的任何一项所述的晶体振荡电路，

在此，所述负载电容选择部分包括多个彼此间并联连接并具有彼此不同工作电压的晶体管以及与所述晶体管串联连接的电容器。

5.根据权利要求1到4中的任何一项所述的晶体振荡电路，还包括：

限制部分，用以在接通电源后，在一段恒定的时间内，限制提供给所述负载电容选择部分的所述第一和第二控制信号。

6.根据权利要求4或5所述的晶体振荡电路，

在此，所述晶体管是MOS晶体管。

7.根据权利要求4或5所述的晶体振荡电路，

在此，所述晶体管是双极晶体管。

8.根据权利要求1到7中的任何一项所述的晶体振荡电路，

在此，所述振荡部分包括双极晶体管和电阻器。

9.根据权利要求1所述的晶体振荡电路，包括所述的晶体振荡元件。