JP2005012813A

JP2005012813A - 低電力水晶発振器

Info

Publication number: JP2005012813A
Application number: JP2004181232A
Authority: JP
Inventors: Simon Bridger; ブリッジャーサイモン
Original assignee: Rakon Ltd
Current assignee: Rakon Ltd
Priority date: 2003-06-19
Filing date: 2004-06-18
Publication date: 2005-01-13
Also published as: US20050007205A1

Abstract

【課題】音叉水晶を必要とすることなく単一の高周波水晶から高及び低周波クロック信号の両方を供給する発振器を持つ集積回路を含むタイミングシステムを提供する。
【解決手段】低周波信号は、「アイドル」期間の間低電力消費のタイムキーピング応用のために利用される。高性能高周波信号は要求のあり次第クロック及び周波数基準の使用に対して利用できる。本発明の発振器は、改善されたタイムキーピング精度を与え、他方大きさ、費用、及びコンポーネントの総計は減少する。更に、高周波発振器の位相雑音及び他の重要なパラメタは妥協されない。音叉水晶の衝撃に対する弱点、既知の問題は減少している。
【選択図】図１

Description

本発明は、水晶発振器システムに関し、特に、しかし全くではないが、完全作動モードにおいて高精度クロック信号をも要求する応用における低スタンバイ電力において、低周波数実時間クロック信号を供給する。

電子装置は、しばしば高周波クロック信号、及び低周波クロック信号の両方を要求する。この様な機器の例はＧＰＳ及びＣＤＭＡ無線、及びマイクロプロセッサを使用する多くの他の応用である。高周波信号は、高度のスペクトルの時間的にピュリティ（ｐｕｒｉｔｙ）で安定でなければならない。これは一般に要求されるピュリティを達成するためのＡＴカット水晶結晶体で得られる。加えて、温度補償回路は、要求される安定性を達成するため頻繁に採用される。

低周波クロックは一般に「実時間クロック」（ＲＴＣ）を作動させるため使用される。これは一般に別個の低周波音叉型水晶から得られる。この低周波クロックは、電力遮断又はスタンバイ時にＲＴＣを作動させるため使用される。音叉型水晶の使用の不利益点の１つは、出力周波数が理想的な３２ｋＨｚから変動し（安定性問題）また出力信号があまりピュア（ｐｕｒｅ）でないことである。この型の出力信号は、多くの応用において適当であるが、幾つかの無線応用ではより多くの要求がある。これらは、無線回路を作動させるため高精度をもつスペクトル的に純粋な高周波源を要求している。ＧＰＳ及びＣＤＭＡの様な応用は、無線を断続的に作動させ、また外部信号又はデータタイミングと同期しなければならない。これらの応用は、ＲＴＣ信号のより大きな精度から恩恵を受けることが出来る。

これらの応用は、ＲＴＣをクロックするため一般にＸカット音叉型水晶を使用する。これらの水晶は、−４０から８５度Ｃにわたり約１５０ｐｐｍの周波数変動をもつ。比較すれば、ＡＴカット水晶は、２５ｐｐｍより少ない周波数変動をもち、また温度補償回路と共に使用する時は、４０から８５度Ｃにわたり１ｐｐｍより少ない周波数変動を持つことが出来る。これは温度補償された水晶発振器（ＴＣＸＯ）として知られている。

保存モードをもつ発振器は、ＵＳＰ６１６３２２８に開示される。特にこの特許は、正常と低電力モードとの間で切り替え可能な発振器を開示する。低電力作動モードにある時は、発振は維持されるが出力はないように水晶発振器に対して電力は制限される。正常作動を始めるのに必要な時間は殆ど瞬間的である。

低電力水晶を使用する発振器としてＵＳＰ５１５５４５３に開示される。この特許は、正常と低電力作動モードにおいて作動可能な水晶発振器を開示する。低電力作動モードにある時は、発振は維持されるが出力はないように水晶発振器に対して電力は制限される。正常作動を始めるのに必要な時間は殆ど瞬間的である。

ＣＤＭＡ移動電話ユニットにおける電力を一定に保つ方法及び装置は、ＷＯ０１／２８１０８において論議される。この特許出願は、正常と低電力（「スリープ」）モードの間の切り替えの方法とシステムを論じている。正常作動にある時は、正確なクロック源、例えば電圧制御温度制御水晶発振器（ＶＣＴＣＸＯ）が使用される。低電力モードにある時は、別個の第２の低電力低周波水晶発振器が、３２ｋＨｚを発生するため使用され、正確なクロック源への電力は制限される。

本発明の目的は、スタンバイモードにおいて低電力低周波クロックを供給し、また１つの水晶より多くを必要としない水晶発振器システムを提供することである。

本発明の他の目的は、好ましい実施例の記載において明白になる。

この発明は広く、出願の明細書において個々に又は集合的に参照し又は示した部品、素子又は特徴に存すると言うことが出来、また前記部品、素子又は特徴のどの様な２つ又はそれより多くの、如何なる又は全部の組み合わせ、またこの発明が関係する技術における既知の均等物をもつ特定の完全体がここに言及される場合には、この様な既知の均等物は、あたかも個々に述べられたかの様にここに組み込まれる。

本発明はタイミングシステムに関し、これは音叉水晶の必要なしに単一の高周波水晶から高及び低周波クロック信号の両方を供給する発振器をもつ集積回路を含む。低周波信号は、「アイドル」期間の間、低電力消費である、タイムキーピング（ｔｉｍｅ−ｋｅｅｐｉｎｇ）応用に利用出来る。高性能高周波信号は、要求あり次第クロック及び周波数基準の使用に利用出来る。本発明の発振器は、改善されたタイムキーピング精度を提供し、一方、大きさ、費用、およびコンポーネント総数は減少している。更に、高周波発振器の位相雑音及び他の重要なパラメタは妥協されない。衝撃に対する弱点、音叉水晶に対する既知の問題は減少される。

ここに述べた現在の技術は、マイクロプロセッサに基づいており、従って、「低クロック信号」又は「低周波」は、実時間クロック（ＲＴＣ）信号を意味し、これは典型的に３２ｋＨｚである。この周波数に近い他の周波数もまた使用できる。「高クロック信号」又は「高周波」は、典型的にこの値は１０−４０ＭＨｚの間の範囲にあるが、１ＭＨｚより大きいものである。

本発明のタイミングシステムの１つの好ましい実施例は図１を参照して述べられる。それは、随意の低電力モードをもつ高周波水晶発振器１、低電力周波数分割器２、及び出力バッファ４，５から成る。発振器回路は、ＡＴカット水晶３と発振器回路１（温度補償回路を含む）とを包含する。高周波水晶発振器１、低電力周波数分割器２、及び出力バッファ４，５は、単一の集積回路（ＩＣ）１ａの中に組み合わせてもよい。分割器は例えば２進分割器、プログラマブル分割器、又はパルススワロイング（ｐｕｌｓｅｓｗａｌｌｏｗｉｎｇ）分割器でも良い。当業者はまた、高周波水晶発振器出力から低周波ＲＴＣ信号を引き出すため幾つかの他の方法が可能であることを理解するであろう。

この好ましい実施例は、２つのモード、即ち、高電力（正常）モードと、低電力モード又はアイドル状態において作動する。正常作動においては、高周波（ＨＦ）出力７と低周波（ＬＦ）出力８の両方が作動する。制御線ＨＦ−ＥＮＡＢＬＥ６が、ＨＦ出力バッファ及びドライバ回路４を作動可能にし、また高発振器電力を選択する。これは、ＨＦ出力における最良のスペクトルピュリティを供給する。これはＧＰＳ及びＣＤＭＡの様な無線応用において重要である。低周波出力８は正常状態の間ＲＴＣ信号を供給する。アイドル状態において、ＨＦ出力７が無能にされ、発振器電力は、ＬＦ出力８が利用可能で残る間、削減される。ＨＦ水晶発振器１の非常に低い電力作動に重要なのは、ドライブレベル依存（ＤＬＤ）に関係する始動問題を防止するための高水晶電力モードである。

周波数分割器２．又は分割器チエインの少なくとも最初の少数段階は、水晶発振器ＩＣと共に有利に組み込まれる。それを、同じＩＣ内に組み込むことは、最低の電力消費の達成を許す。

発振器ＩＣがリセットされる時は、電力オン又はマイクロプロセッサのコマンドにより、発振器１ａは自動的に最高電力発振器モードに選択される。これは、立ち上げ（ｓｔａｒｔ−ｕｐ）時間を減少させ、またＤＬＤに関係した問題を減少させる。この高電力立ち上げモードは、周波数分割器２に取り付けたカウンタ、又は論理により調節された期間の後自動的に終わることが出来る。

発振器の作動にとって３２，７６８ｋＨｚの様な正確な周波数が低周波数ピン８において発生されることは重要ではなく、関連したマイクロプロセッサがどの様な要求されるタイミング転換も容易に行なうことが出来るからである。しかし、この様な特定の周波数が希望され又は要求される場合には、代わりの実施例は、周波数分割器２の代わりにプログラマブル分割器を使用できる。更にそれ以上の実施においては、カウンタが準備され、その値は外部のサブシステムにより読み取られることが出来、従って、ＲＴＣ機能は発振器に組み込まれる。

本発明のタイミングシステムの別の実施例は図２を参照して述べられる。上に開示した情報に加えて、一組の記憶された係数によりプログラムされた温度補償関数発生器１１、及び周波数制御入力１０が発振器１ａに付加されタイミングシステム２ａを形成する。この関数発生器は、典型的には全回路の電力流出の大きな割合の一因となる。

この実施例の最も簡単な実施においては、関数発生器１１は、そのアイドル状態においてその電力はストローブ線１４により遮断される。これは、発振器１ａが高電力モードにある時温度補償され、またアイドルモードにある時補償されないことを許す。

この好ましい実施例のより複雑な実施は、図３に示すタイミング回路である。そのアイドル状態の間、関数発生器１１は、周期的に短時間ターンオンされ、またサンプル及びホールド回路１８が、介入期間の間補償電圧を保持するため使用される。関数発生器１１の作動デューティーサイクルは、平均で低電力消費を生ずるため低い。これを行なう方法は、低周波数分割器２に取り付けられた論理ブロック１９を使用することである。これは低周波出力８に揺れる周波数を生ずる結果となる。しかし、短期周波数安定は低周波信号において余り重要ではなく、ＲＴＣ様式ユーザは一般に累積的タイムキーピング精度を要求するからである。

更に別の実施において、温度補償サブシステム（関数発生器１１、温度センサ１３等）のバイアス電流は低電力モードの間削減される。これは、しかし伝達関数を変更し、また（短期）雑音を、高周波出力において受け入れ不能なレベルにまで増加させる。

発振器（３ａ）及び関数発生器の様な重要な回路素子のパワードレイン（ｐｏｗｅｒｄｒａｉｎ）の変化の明瞭な制限は、中心周波数、及び周波数温度特性が、高電力と低電力モードとの間で異なることである。これは幾つかの方法で対応できる。図３に示す様に、１つのこのような方法は、係数レジスタ１３ｂの第２（又はそれより多く）のバンクを関数発生器１１に付加しそして異なる電力モードが選択された時これらを選択又は関数発生器１１に再ロードする。第１のバンク１３ａは高電力のために引き出され、最適化された係数を含み、他方第２のバンク１３ｂは低電力のために引き出され、最適化された係数を含み、従って、両方の状態の下で最適な性能を確保する。図７に示すように、発振器は同調レジスタ４５をもち、これらは発振器周波数を正常の値にもたらし、また同調値の第２又はそれ以上のバンクもまた、周波数が低電力モードの間最適であるように付加されても良い。

第２の方法は、発振器３ａをアイドル状態の間補償されないで残し、そして係数のテーブル１３を与え、これはマイクロプロセッサの様な外部サブシステムにおいて周波数を計算するのに使用できる。この係数のテーブル１３は、発振器パッケージ内に記憶出来、又はディスク上に又は回線網を経由して、外部から供給され、また独特の識別子にリンクされ、これはソフトウエアが特定の発振器ＩＣと共に使用されるべき係数のセットを見出すのを許す。この様な独特な識別子は、発振器３ａ内に記憶出来、そして電気的に読み取られ、又は外部表面に貼付されて他の手段により読み取られ、例えば光学的に読み取られるデータマトリックスである。

温度センサ１５出力は、発振器３ａから随意に供給できる。これは、上述の様に、周波数補正の外部計算のために使用できる。温度センサ１５及び電圧基準１６はストローブ線２により給電できる。

本発明のタイミングシステム３ａの更に別の実施例においては、追加の低電力モードが供給される。ＨＦ発振器１ａは、上述の様に減少した電力で作動出来る。減少した周波数におけるＨＦ出力を得るために、出力は分割器チェイン２上のある中間点から取り出すことができる。このモードは、マイクロプロセッサのためのクロック信号を減少した１／２ＣＶ^∧２電力損失（分割器チェインが使用される点において少ない）及び消費集積回路例えばＧＰＳＩＣ、又はマイクロプロセッサにおける減少した電力排出と共に供給する。通常この場合ＬＦ出力は継続して別個に供給される。

低電力モードをもつＨＦ発振器１Ａは種々の方法で実施できる。これらの３つを説明する。
図４に示す単一の高周波水晶３を使用する簡単な発振器回路において、発振器回路の電流消費は、そのバイアス発生器により制御線２５を経由して調節できる。通常これは電流ミラーを介してなされるかも知れない。これはまた水晶電流と電力を調節する。他の形式の調節もまた可能であり、例えばＦＥＴＦＥＴのゲートバイアス電圧を調節する。

振幅制御回路２８が図５に示す実施例において使用される。振幅制御回路２８は、検出回路２９と基準レベル回路３０から成る。振幅制御回路２８は、発振器３３の出力の振幅を発振器電力制御線３２を調節することにより調節する。振幅制御信号３１は発振の振幅をセットし、また電流は、例えば上述の様にバイアス電流を調節して発振器を調節することにより、レベル制御回路により間接的にセットされる。この様な構成において、振幅制御回路２８への電力供給は有利にストローブされることが出来又制御出力を保持するため使用されるサンプル及びホールド構成は、図２のＴＣＸＯ関数発生器に関して論じたように、平均電流消費を減少させる。これは、水晶発振器の高いＱが、発振のレベルは極めて緩やかに変化するだけで、低いデューティーサイクルを許し、またストローブ率を水晶作動周波数より遥かに低くすることを意味するので可能である。

第３の実施においては、図６ａ及び６ｂに示す様に２つの別個の発振器が使用される。これらはスイッチ３７，３８，４０により直接単一の高周波水晶３に接続され、そこに一方の発振器は高電力発振器３５であり、他方は低電力発振器３６である。図６ａにおいて、水晶３上の両方の接続は切り替え３７，３８可能であり、他方図６ｂにおいては、水晶接続の一方のみがスイッチ４０により切り替え可能である。

図６ｂに示す実施において、能動素子として電界効果トランジスタを使用する両方の発振器３５，３６は、バイアス調節入力４１，４２を持つことができる。ＦＥＴ入力は高インピーダンスをもつので、入力を切り替える必要はなく、出力のみが単一のスイッチ４０により切り替えられる。使用される発振器はバイアス制御４１，４２により選択され、又はゲートバイアスの制御の様な他の手段による。高電力発振器３５のみがバイアス調節入力を持つことも可能である。高電力モードが可能にされた時のより高いバイアス電流に起因して、低電力発振器３６をターンオフすることは不必要かも知れない。幾つかの回路構成において、スイッチ４０もまた不必要であり、複数発振器は、単に並列に接続され、バイアス制御が作動する方を選択する。図６ｂにおいては、両方の発振器が簡単な単一トランジスタ複数発振器として示される。多重利得段を持つより複雑な発振器回路もまた可能であり、そして低電力発振器に対して好ましいかも知れず、それは多重トランジスタ利得段は同じ利得に対してより低い電力消費を持つことが出来るからである。

ＨＦ水晶発振器の電力消費はまた水晶の負荷キャパシタンスに依存する。高負荷キャパシタンスにおいて発振器の電流消費はより大きいが、性能は幾つかの点で、より良いかも知れない。幾つかの回路において、特にＴＳＸＯ型回路では、低電力モードで作動している時は水晶発振器の負荷キャパシタンスを減らすのが有利である。これは、図７に示すようにスイッチ（４６，４９）により達成されるかも知れず、これらは負荷キャパシタンス又は同調を制御するレジスタ４５におけるレジスタ値を変化させる。

代わりに、これは、ある電圧を電圧制御インピーダンスの上に押し付け、最低電力、図８に示す様な消費点で作動するようにして行なうことが出来る。個々に、電圧可変キャパシタンス素子５５−５８の制御電圧は、低電力作動のため関数発生器５２と最適電圧５３との間でスイッチ５４により切り替えられる。

タイミングシステムの別の実施において、発振器回路は、その電力供給が発振器の他のサブシステムと効果的に直列になるように構成される。図１０は一つの構成を示し、そこでは発振器２０１は分割器２００と直列で、発振器信号は分割器とコンデンサ２０２により結合される。

これは有利であり、それはタイミングシステムＩＣの合計電力消費は減少し、ところが一方発振器電流を出来るだけ高く保持するからである。これは可変であり、なぜなら、発振振幅は、低電力モードの時は極めて低く、また発振器は低供給電圧において容易に作動するからである。発振器と直列に置かれるかも知れない他のサブシステムは、発振器バッファと周波数分割器を含む。他のサブシステムもまた、この目的のため存在しても良い。分割器を発振器と直列に置くことはまた有利となり得るが、それは分割器は作動するまで何らの電流を必要とせず、発振器に利用出来る電圧は始動時に最大となり得るからである。

オーバトーン水晶が使用される場合は、高電力モードの間、発振器を３^ｒｄ又は５^ｔｈのようなオーバトーンで作動させるのが有利かも知れず、そして低電力モードの時は基本周波数である。この基本においては、発振器及び分割器のより低い電力消費が可能である。この構成は、プルアビリテイ（ｐｕｌｌａｂｉｌｉｔｙ）オーバトーン発振器を採用するＴＳＸＯ型回路に対して特に有利である。この様な構成は、知られた基本抑制回路の１つをスイッチングすることにより達成されるかも知れない。図９は１例を示し、そこではオーバトーン抑制抵抗器１６０が、高電力モードにある時スイッチ１６１で回路の中ヘ切り替えられ、そして低電力モードにある時回路の外へ切り替えられる。発生する１つの問題は、水晶発振器の磁気抵抗が、別のモードで作動している時、別のモード又はオーバトーンへ変化させることである。この場合、発振器は転換が発生する前に停止できる。ＲＣ（抵抗器−コンデンサ）時間調節される単安定１６３が、発振器能動素子を水晶からスイッチ１６２を経由して瞬時的に切り離すために使用され、また抵抗器１６０の中へスイッチ１６１を介して切り替えることにより共振回路の損失を増加させる。単安定パルスは、発振を停止させるのに充分長い。他の実施において、発振器は発信を停止させるためターンオフされ、又はバイアス電流は、基本発振のみが可能なレベルへ減らされるかも知れない。基本からオーバトーンへ変化させるため、オーバトーンから基本への変化に使用されるのとは異なる手段が使用されることは有利かも知れない。温度感知発振器が要求される場合には、２重モード発振器構成が有利に使用できる。この様な作動において水晶は、基本と３^ｒｄオーバトーン共振の両方に対して同時に作動する。この様な発振器は当該技術において知られている。この場合、高電力モードにおいてオーバトーン及び基本発振器の両方は動作状態であり、ところが他方低電力モードにおいては基本発振器のみ動作状態である。

本発明の１つの好ましい実施例の概略図。追加のブロック及びＴＣＸＯの好ましい実施例において使用される低電力可能信号の概略図。関数発生器の電力を減らすためサンプル及びホールドを採用するＴＣＸＯの改善された第２の好ましい実施例を示す概略図。ＨＦ発振器の電力が低電力モードにおいて減らされる１つの方法を示す概略図。発振器電力を制御するため使用されるＡＬＣ（自動レベル制御）を示す概略図。ａは単一の水晶共振器を高電力発振器回路と、第２の低電力発振器回路との間で切り替えることにより実施される低電力発振器の別の実施例を示す概略図。ｂは水晶の出力のみが切り替えられ、高インピーダンス入力は共通に接続されて残る図６ａの代わりの実施例を示す概略図。同調レジスタを持ち、その値は、最少負荷キャパシタンスを選択するため低電力選択線によりリセットされ、従って電力消費を減らす発振器を示す概略図。その負荷キャパシタンスは、固定電圧へ切り替えることにより、低電力モードにおいて減らされるＴＣＸＯ発振器を示す概略図。オーバトーン切り替え発振器の１つの可能な実施例を示す概略図。発振器を分割器と直列に置くことによりＤＣ電力消費を減らすための回路ブロックの構成の１つの可能な実施例を示す概略図。

符号の説明

１高周波水晶発振器
２低電力周波数分割器
３ＡＴカット水晶
４，５出力バッファ
７高周波出力
８低周波出力
１ａ集積回路

Claims

回路と共に単一の高周波水晶を使用する発振器から引き出される少なくとも高周波信号と低周波信号を供給するための集積回路システムであって、
少なくとも前記高周波信号と前記低周波信号を供給する高電力モードと、
少なくとも前記低周波信号を供給する低電力モードとを有することを特徴とする集積回路システム。
請求項１に記載のシステムであって、更に
前記高周波信号を入力として受け、前記低周波信号を出力として供給する周波数分割器を有することを特徴とするシステム。
請求項１に記載のシステムであって、更に
前記低電力モードにおいて、前記発振器のバイアス電流を減少させるバイアス発生器を含む単一の発振器を有することを特徴とするシステム。
請求項１に記載のシステムであって、更に
低電力モードにおいて、発振器電流を減少させる振幅制御回路を含む単一の発振器を有することを特徴とするシステム。
請求項１に記載のシステムであって、更に
前記単一の高周波水晶のための２つの別個の発振器部分、高電力発振器部分、及び低電力発振器部分を有し、該複数発振器部分はバイアス、又はスイッチを制御することにより、又は並列に接続することにより不能に出来ることを特徴とするシステム。
請求項１に記載のシステムであって、更に
温度センサ又は温度発生回路の電圧機能と、
前記高電力モード又は前記低電力モードに対応する少なくとも２つのモードを持ち、電圧又は温度指示を受け、前記高電力モードかまたは前記低電力モードかの何れかに従って該周波数又は温度に対する前記高周波信号を補償する補償回路とを有し、各モードにおける補償は異なる係数の組に従うことを特徴とするシステム。
請求項６に記載のシステムであって、
前記補償回路は前記高電力モードにおいて可能であり、前記低電力モードにおいて不能とされることを特徴とするシステム。
請求項７に記載のシステムであって、
前記温度指示は前記低電力モードにおいて外部補償を許すために外部出力として供給されることを特徴とするシステム。
請求項６に記載のシステムであって、更に
電圧サンプル及びホールド回路を有し、前記補償回路は前記低電力モードにおいて周期的に可能にされて補償電圧を電圧サンプル及びホールド回路に供給し、補償電圧を前記発振器へ供給することを特徴とするシステム。
請求項１に記載のシステムであって、
前記発振器のバイアス電流を前記低電力モードにおいて減少させることを特徴とするシステム。
請求項１に記載のシステムであって、更に
前記発振器の負荷キャパシタンスを前記低電力モードにおいて減少させる負荷キャパシタンススイッチを有することを特徴とするシステム。
請求項１に記載のシステムであって、
前記高周波水晶は前記低電力モードにおいて基本周波数において作動し、また前記高電力モードにある時は奇数次数オーバトーン周波数で動作することを特徴とするシステム。
請求項１に記載のシステムであって、
前記高電力モードは前記発振器の始動と同時に少なくとも所定の期間動作することを特徴とするシステム。
請求項２に記載のシステムであって、
前記周波数分割器は、前記低周波数出力周波数信号における温度の変化の影響を補償するため構成されたプログラマブル分割器であることを特徴とするシステム。
請求項１に記載のシステムであって、更に
前記低周波信号を受け、ＲＴＣ出力を発生する少なくとも１つのカウンタを有することを特徴とするシステム。
請求項１に記載のシステムであって、
前記発振器のための直流電力が、少なくとも前記低電力モードの間、バッファ及び／又は分割器回路モード、及び／又は前期発振器のＡＣ利得段の少なくとも１つと直列に接続されることを特徴とするシステム。
請求項１に記載のシステムであって、
前記発振器は前記低電力モードにおいて低電力で作動し、代わりの高周波信号を前記分割器における中間点から供給することを特徴とするシステム。