JP6894929B2 - 振動検出及び振幅制御ループを備えるデジタル自動利得制御を有する集積回路水晶振動子 - Google Patents

振動検出及び振幅制御ループを備えるデジタル自動利得制御を有する集積回路水晶振動子 Download PDF

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Description

関連特許出願
本出願は、すべての目的のため、参照により本明細書に組み込まれている、2016年6月30日出願の、共同所有の米国仮特許出願第62/357,199号に対する優先権を主張する。
本開示は、水晶振動子、特に、振動装置及び振動子不良検出装置のために最適動作する相互コンダクタンスを選択するためのデジタル自動利得制御(AGC)サーボループ回路を備える水晶振動子に関する。
電子振動子は、一般に、所与の周波数の周期的に時間が変化する電気シグナルを生成する共振回路を含み、共振回路の期間の逆数によりその周波数が決定される。電気シグナルは、例えば、シグナル振動数をカウントすることによって、時間の経過を追跡するために使用することができる。一般的な電子振動子は、水晶をその共振素子として用いるが、他のタイプの圧電材料(例えば、多結晶性セラミック)も使用することができる。
電子振動子は、多くの電子装置用にクロックシグナルを発生させるために使用されてきた。電子振動子は、無線周波数(radio frequency、RF)装置及び電子装置の重要な構成要素である。現在、製品設計エンジニアは、振動子回路が装置上に設けられているので、エンジニア自身が振動子を設計することは多くない。しかし、現在の電子振動子の大部分は、電子振動子と共に使用されるアナログAGCループであるために問題を有する。例えば、アナログAGCは、初期シード電流が印加されたときに、AGCループが不安定となること及び/又は振動子が不適切に始動するということを引き起こすおそれがある。
本明細書の上に記載されている問題に対処する水晶振動子のgmを制御するためのAGCのシステム及び方法を有することが望ましいと思われる。
実施形態によれば、集積回路の水晶振動子を動作させる方法は、水晶振動子に接続されているデジタル自動利得制御(AGC)回路により水晶振動子の振動振幅の動作をモニタリングして制御する工程であって、デジタルAGC回路が、振動検出装置を含む第1のループ、及び振動振幅検出装置を含む第2のループを含む、工程、水晶振動子からの振動が第1のループにより検出され得るまで、水晶振動子の利得を向上させる工程、及び第2のループにより高基準値と低基準値との間の振幅で振動を維持する工程を含むことができる。
本方法の更なる実施形態によれば、水晶振動子の振動を検出する工程は、水晶振動子からのいくつかの周波数サイクルをカウントする工程、及び周波数サイクル数があるカウント数に到達すると、振動検出ラッチを設定する工程を含むことができる。本方法の更なる実施形態によれば、本方法は、独立アップデートクロックパルスを発生する工程、及び振動検出ラッチが未だ設定されていない場合、各アップデートクロックパルスにおける水晶振動子の相互コンダクタンス増幅器の利得を向上させる工程を含むことができる。
本発明の更なる実施形態によれば、高基準値と低基準値との間の振動振幅を維持する工程は、振動振幅検出装置からの出力値と、高基準値及び低基準値とを比較する工程、振動振幅検出装置からの出力値が低基準値未満となり得る場合、各アップデートクロックパルスにおける相互コンダクタンス増幅器利得を向上させる工程、及び振動振幅検出装置からの出力値が高基準値以上となり得る場合、各アップデートクロックパルスにおける相互コンダクタンス増幅器利得を低下させる工程を含むことができる。
本方法の更なる実施形態によれば、相互コンダクタンス増幅器利得は、そこへの電流を増加させることにより向上され得る。更なる実施形態によれば、本方法は、振動検出装置がある期間内に水晶振動子からの振動を検出しないとき、水晶振動子不良アラームを発生する工程を含むことができる。本方法の更なる実施形態によれば、高基準値は、水晶振動子のトランジスタのDCバイアスポイントより約300ミリボルト高くなり得、低基準値は、トランジスタのDCバイアスポイントより約100ミリボルト高くなり得る。更なる実施形態によれば、本方法は、レプリカ回路により、相互コンダクタンス増幅器の電力、電圧及び温度特徴を追跡する、高基準値及び低基準値をもたらす工程を含むことができる。更なる実施形態によれば、本方法は、振動子の不良を検出して、そのアラームをもたらす工程を含むことができる。
別の実施形態によれば、集積回路は、水晶振動子回路、及び水晶振動子回路に接続されているデジタル自動利得制御(AGC)回路を備えることができ、AGC回路は、振動検出装置を含む第1のループ及び振動振幅検出装置を含む第2のループを備え、第1のループは、水晶振動子回路からの振動振幅が検出され得るまで、水晶振動子回路の利得を向上させるようになされ得、その後に、第2のループは、高振幅値と低振幅値との間の振動振幅を維持するようになされ得る。
更なる実施形態によれば、水晶振動子回路は、外部水晶に接続するようなされている相互コンダクタンス増幅器、及び相互コンダクタンス増幅器の相互コンダクタンス利得に接続されて制御するプログラマブル電流源を備えることができる。更なる実施形態によれば、第1のループは、水晶振動子回路からの振動の検出前のアップデートインターバル時にプログラマブル電流源を制御することができ、第2のループは、水晶振動子回路からの振動の検出後のアップデートインターバル時にプログラマブル電流源を制御する。
更なる実施形態によれば、第1のループは、振動検出装置、振動検出装置に接続されており、振動が検出され得るときにロジック状態を変更するメモリラッチ、及びプログラマブル電流源に接続されてこれを制御するアップ/ダウンカウンタを含むことができる。第2のループは、相互コンダクタンス増幅器に接続されている入力及び振動振幅を表す出力を有する振動振幅検出装置、アップ/ダウンカウンタ、及び振動振幅検出装置とアップ/ダウンカウンタとの間に接続されている振動振幅制御装置を備えてもよく、振動振幅が低振幅値未満となり得ると、アップ/ダウンカウンタは、アップデートインターバル時にその中のカウント値を向上させ、振動振幅が高振幅値以上となり得ると、アップ/ダウンカウンタは、アップデートインターバル時にカウント値を低下させる。
更なる実施形態によれば、高振幅値は、相互コンダクタンス増幅器のDCバイアスポイントより約300ミリボルト高くなり得、低振幅値は、相互コンダクタンス増幅器のDCバイアスポイントより約100ミリボルト高くなり得る。更なる実施形態によれば、レプリカ回路は、相互コンダクタンス増幅器の電力、電圧及び温度特徴を追跡する高振幅値及び低振幅値をもたらすようになされ得る。更なる実施形態によれば、アップ/ダウンカウンタ及び/又は振動検出回路のカウント値は、プログラマブルとすることができる。更なる実施形態によれば、アップ/ダウンカウンタは、集積回路において、パワーオンリセットすると、リセットされるようになされ得る。更なる実施形態によれば、タイマー、振動検出回路、ラッチ及び/又はアップ/ダウンカウンタは、集積回路におけるリセット条件時に再リセット可能となり得る。更なる実施形態によれば、振動子不良アラーム回路が設けられ得る。更なる実施形態によれば、集積回路は、マイクロ制御装置とすることができる。
本発明は、例えば、以下を提供する。
(項目1)
集積回路の水晶振動子を作動させる方法であって、
前記水晶振動子に接続されているデジタル自動利得制御(AGC)回路により水晶振動子の振動振幅の動作をモニタリングして制御する工程であって、前記デジタルAGC回路が、振動検出装置を含む第1のループ、及び振動振幅検出装置を含む第2のループを含む、工程と、
前記水晶振動子からの振動が前記第1のループにより検出されるまで、前記水晶振動子の利得を向上させる工程と、
前記第2のループにより高基準値と低基準値との間の振幅で振動を維持する工程と、
を含む、方法。
(項目2)
前記水晶振動子の振動を検出する前記工程が、前記水晶振動子からのいくつかの周波数サイクルをカウントする前記工程、及び周波数サイクル数が、あるカウントに到達すると、振動検出ラッチを設定する工程を含む、項目1、又は5〜9のいずれかに記載の方法。
(項目3)
独立アップデートクロックパルスを発生する工程と、
前記振動検出ラッチが未だ設定されていない場合、各アップデートクロックパルスにおける前記水晶振動子の相互コンダクタンス増幅器の利得を向上させる工程と、
を更に含む、項目2又は4のいずれかに記載の方法。
(項目4)
前記高基準値と前記低基準値との間の前記振動振幅を維持する前記工程が、
前記振動振幅検出装置からの出力値と、前記高基準値及び前記低基準値とを比較する工程と、
前記振動振幅検出装置からの前記出力値が前記低基準値未満となる場合、各アップデートクロックパルス時の前記相互コンダクタンス増幅器利得を向上させる工程と、
前記振動振幅検出装置からの前記出力値が前記高基準値以上となる場合、各アップデートクロックパルス時の前記相互コンダクタンス増幅器利得を低下させる工程と、
を含む、項目2又は3のいずれかに記載の方法。
(項目5)
前記相互コンダクタンス増幅器利得が、そこへの電流を増加させることにより向上される、項目2、又は6〜9のいずれかに記載の方法。
(項目6)
前記振動検出装置がある期間内に前記水晶振動子からの振動を検出しないとき、水晶振動子不良アラームを生成する工程を更に含む、項目2、5又は7〜9のいずれかに記載の方法。
(項目7)
前記高基準値が、前記水晶振動子のトランジスタのDCバイアスポイントより約300ミリボルト高く、前記低基準値が、前記トランジスタの前記DCバイアスポイントより約100ミリボルト高い、項目2、5〜6又は8〜9のいずれかに記載の方法。
(項目8)
レプリカ回路により前記相互コンダクタンス増幅器の電力、電圧及び温度特徴を追跡する、前記高基準値及び前記低基準値をもたらす工程を更に含む、項目2、5〜7、又は9のいずれかに記載の方法。
(項目9)
振動子の不良を検出して、そのアラームを鳴らす工程を更に含む、項目2又は5〜8のいずれかに記載の方法。
(項目10)
集積回路であって、
水晶振動子回路と、
前記水晶振動子回路に接続されているデジタル自動利得制御(AGC)回路であって、振動検出装置を含む第1のループ及び振動振幅検出装置を含む第2のループを含む、デジタル自動利得制御(AGC)回路と
を備え、
前記第1のループが、そこからの振動振幅が検出されるまで、前記水晶振動子回路の利得を向上するようになされており、その後に、前記第2のループが高振幅値と低振幅値との間の前記振動振幅を維持するようになされている、
集積回路。
(項目11)
前記水晶振動子回路が、
前記外部水晶に接続するようになされている相互コンダクタンス増幅器と、
前記相互コンダクタンス増幅器の相互コンダクタンス利得に接続されてこれを制御するプログラマブル電流源と、
を含む、項目10、又は13〜20のいずれかに記載の集積回路。
(項目12)
前記第1のループが、前記水晶振動子回路からの振動の検出前のアップデートインターバル時に、前記プログラマブル電流源を制御し、
前記第2のループが、前記水晶振動子回路からの前記振動の検出後の前記アップデートインターバル時に前記プログラマブル電流源を制御する、
項目11に記載の集積回路。
(項目13)
前記第1のループが、
振動検出装置、
前記振動検出装置に接続されているメモリラッチであって、振動が検出されると、ロジック状態を変更するメモリラッチと、
前記プログラマブル電流源に接続されてこれを制御するアップ/ダウンカウンタと、
を含み、
前記第2のループが、
前記相互コンダクタンス増幅器に接続されている入力、及び前記振動振幅を表す出力を有する振動振幅検出装置と、
前記アップ/ダウンカウンタと、
前記振動振幅検出装置と前記アップ/ダウンカウンタとの間に接続されている振動振幅制御装置と、
を含み、
前記振動振幅が前記低振幅値未満の場合に、前記アップ/ダウンカウンタが、前記アップデートインターバル時にその中のカウント値を向上させ、
前記振動振幅が前記高振幅値以上の場合に、前記アップ/ダウンカウンタが、前記アップデートインターバル時にその中の前記カウント値を低下させる、
項目10〜12又は14〜20のいずれかに記載の集積回路。
(項目14)
前記高振幅値が、前記相互コンダクタンス増幅器のDCバイアスポイントより約300ミリボルト高く、前記低振幅値が、前記相互コンダクタンス増幅器の前記DCバイアスポイントより約100ミリボルト高い、項目10〜13又は15〜20のいずれかに記載の集積回路。
(項目15)
前記相互コンダクタンス増幅器の電力、電圧及び温度特徴を追跡する、前記高振幅値及び前記低振幅値をもたらすようになされているレプリカ回路を更に含む、項目10〜14又は16〜20のいずれかに記載の集積回路。
(項目16)
前記アップ/ダウンカウンタ及び/又は前記振動検出回路の前記カウントバルブがプログラマブルである、項目10〜15又は17〜20のいずれかに記載の集積回路。
(項目17)
前記アップ/ダウンカウンタが、前記集積回路においてパワーオンリセット時にリセットされるようになされている、項目10〜16又は18〜20のいずれかに記載の集積回路。
(項目18)
前記タイマー、振動検出回路、ラッチ及び/又はアップ/ダウンカウンタが、前記集積回路における条件のリセット時に再設定可能な、項目10〜17又は19〜20のいずれかに記載の集積回路。
(項目19)
振動子不良アラーム回路を更に備える、項目10〜19又は20のいずれかに記載の集積回路。
(項目20)
前記集積回路がマイクロ制御装置である、項目10〜19のいずれかに記載の集積回路。
本開示のより完全な理解は、添付の図面と併せて以下の説明を参照することによって得ることができる。
本開示の特定の例となる実施形態による、振動検出及び振幅制御ループを備えるデジタル自動利得制御(AGC)を有する集積回路水晶振動子の模式ブロック図である。 本開示の特定の例となる実施形態による、振動検出及び振幅制御ループを備えるデジタル自動利得制御(AGC)を有する集積回路水晶振動子のより詳細な模式ブロック図である。 本開示の特定の例となる実施形態による、振動検出及び振幅制御ループを備えるデジタルAGCを有する集積回路水晶振動子のより詳細な模式図である。 本開示の特定の例となる実施形態による、水晶駆動回路のレプリカ回路の模式図である。 本開示の特定の例となる実施形態による、デジタルAGCと組み合わせた水晶振動子の動作のグラフ表示である。
本開示はさまざまな修正及び代替形態を受けやすいが、特定の例となる実施形態は、図で示されており、本明細書に詳細に記載されている。しかし、特定の例となる実施形態の本明細書における記載は、本明細書において開示されている形態に対する開示を限定することを意図するものではないことを理解すべきである。
さまざまな実施形態によれば、デジタル自動利得制御(AGC)は第1及び第2の制御ループを有する。第1のループは、振動がそこから検出されるまで、振動子トランジスタの相互コンダクタンス(gm)を向上させることができる。次に、第2のループが水晶振動子からの振動の振幅を検出し、これらの振幅を高電圧基準及び低電圧基準と比較し、デジタルシグナルを発生して振動子トランジスタの臨界相互コンダクタンス(gm)を見つけ出し、このトランジスタ相互コンダクタンス(gm)を制御して、そこからの定振動波形の振幅を維持する。アップ/ダウンカウンタは、そこへのクロックレートに応じてサーボ制御ループバンド幅/アップデートレートを規定し、このサーボループは、サーボループバンド幅が、水晶振動子の約Tau(τ)=10Lm/R_eff未満となるかぎり、いかなる安定性問題も有さない。相互コンダクタンスは、バイポーラトランジスタ又は電界効果トランジスタ(FET)の性能を表現したものである。一般に、他の因子のすべてが一定に保たれると、装置に対して相互コンダクタンス形状が大きくなるほど、大きな利得(増幅)がもたらされ得る。
本開示の一態様によれば、集積回路が提供される。集積回路は、外部水晶に接続された振動子回路を含む。集積回路は、振動子回路と接続されているデジタル自動利得制御(AGC)回路を含む。デジタルAGC回路は、振動検出装置を設ける第1のループ機能、及び振動エンベロープ検出装置を設ける第2のループ機能を含む。
本開示の別の態様によれば、集積回路水晶振動子を動作する方法が提供される。本方法は、以下の工程を含む:第1に、デジタル利得制御回路におけるカウンタの最初の出力値が、第1のカウント値に設定される。デジタル利得制御は、振動がいつある数のサイクルで起こるかを決定する、第1のループ(振動検出ループ)に接続されている。デジタル利得制御は、あらかじめ設定された振動エンベロープ拡張時間(予想振動サイクル数)、待機する。デジタル利得制御は、予想振動サイクル数が検出されるまで、プログラマブルアップデート時に、振動子トランジスタ相互コンダクタンス(gm)を向上させることができる。予想振動サイクル数の検出時に、デジタル利得制御は第2のループを選択して、その結果、相互コンダクタンスの電流値は、振動振幅検出回路からのDC出力値をモニタリングする、2つのコンパレータに接続されている、高基準電圧及び低基準電圧によって決定されるエンベロープの範囲内に確定される。
これより、図面を参照して、例となる実施例の詳細を擬略的に例示する。同様に、図面中の要素は、同様の数字によって表され、類似要素は、異なる下付文字の添え字を用いて同様の数字により表す。
図1は、本開示の特定の例となる実施形態による、振動検出及び振幅制御ループを備えるデジタル自動利得制御(AGC)を有する集積回路水晶振動子の模式ブロック図を例示している。集積回路100は、水晶振動子110、第1のループ(振動検出ループ)120及び第2のループ(振動振幅制御ループ)130を備えるデジタルAGCを備えることができる。振動検出ループ120は、振動がそこから検出されるまで、水晶振動子110の相互コンダクタンスを向上させる。振動振幅制御ループ130は、ある高い方の振幅値と低い方の振幅値の範囲内に、水晶振動子110からの振動振幅を維持する。水晶振動子110は、外部の周波数決定水晶116に接続するようになされている。
図1Aは、本開示の特定の一層詳細な特定の例となる実施形態による、振動検出及び振幅制御ループを備えるデジタル自動利得制御(AGC)を有する集積回路水晶振動子の模式ブロック図を例示している。集積回路100aは、水晶振動子110、振動検出ループ120a及び振動振幅制御ループ130aを備えるデジタルAGC、アップデートタイマー152、及び場合により振動子不良検出及びアラーム回路154を備えることができる。
水晶振動子110は、相互コンダクタンス増幅器(例えば、バイポーラ又はFETトランジスタ)114であって、その相互コンダクタンス(gm)がプログラマブル電流源112からの電流によって制御され得る、相互コンダクタンス増幅器を備えることができる。外部水晶116は、集積回路100aのノード(ピン)OSCI及びOSCOを介して、水晶振動子110に接続されていてもよい。
振動検出ループ120aは、振動検出装置124、1つのビットメモリラッチ122、及びアップ/ダウンカウンタ126を含むことができる。集積回路100のパワーアップ及び/又は初期設定時に、振動検出装置124、1つのビットメモリラッチ122及びアップ/ダウンカウンタ126はリセットされることができ、この場合、その中のカウント値は、ゼロ(0)にリセットされ、メモリラッチ122はクリアされて、そのQ出力値は低ロジックにあり、かつQ出力値は高ロジックにある。アップ/ダウンカウンタ126は、プログラマブル電流源112に接続されてこれを制御し、この場合、このカウント値が0になると、プログラマブル電流源112からの出力電流はその最低値となる。プログラマブル電流源112からの最低電流値は、まず、相互コンダクタンス増幅器(トランジスタ)114(電流によって制御されるトランジスタ利得)に印加され、これにより、その相互コンダクタンス(gm)は最小にある。この条件下では、水晶振動子110は、振動してもよく、又は振動しなくてもよいが、アップデートタイマー152が、水晶振動子110とは独立しているので、大きな問題ではない。これ以降に一層十分に説明されているとおり、アップデートタイマー152を使用して、振動検出ループ120(「第1のループ」)及び振動振幅制御ループ130(「第2のループ」)の両方のバンド幅/アップデートレートを規定することができる。
いかなるアップデートクロックも、アップ/ダウンカウンタ126によって受信される前(及びそのカウント値が0に設定される)に、最小電流値が、相互コンダクタンス増幅器114に接続される。したがって、相互コンダクタンス増幅器114は、最小相互コンダクタンス時に始動し、プログラマブル電流源112からの電流が、アップ/ダウンカウンタ126のカウント値からの制御によって向上するにつれて、その相互コンダクタンスが向上する。アップ/ダウンカウンタ126がアップデートタイマー152からクロックパルスを受信する毎に、プログラマブル電流源112からの電流値の線形温度測定パターン(線形電流増加)は、初期最低電流相互コンダクタンス(gm)値で振動を開始しなかった場合、振動回路110が振動を開始するまで、相互コンダクタンス(gm)を向上させる。
最初に、ビットメモリラッチ122の1つのQ出力値は、低ロジック(「0」)(「OSC_valid」)状態にあり、/Q出力値は、アップ/ダウンカウンタ126がアップデートタイマー152からアップデートクロックパルスを受信する毎に、アップ/ダウンカウンタ126をそのカウント値まで向上させる高ロジック(「1」)状態となる。アップデートタイマー152(独立した内部振動子及びカウンタ)からのクロックレート出力値は、設計/製造中に規定されて固定され得るか、又はその内部カウンタはプログラマブルとなり得、さまざまな特徴及び/又は周波数を有する水晶を用いて使用するのに、一層、順応性のあるものにし得る。好ましくは、アップデートタイマー152の出力クロック周波数(第1のループ及び第2のループのバンド幅を規定する)は、水晶振動子の振動エンベロープの振動を大きくするために必要な起動時間である、タウ(τ)=10Lm/R_eff未満となる程、十分に遅いものとなり得る。アップデートタイマー152の出力クロック周波数に到達させるのは、非常に容易である。したがって、アップデートタイマー152からのクロックレート出力値は、振動検出ループ120と振動振幅制御ループ130aの両方のバンド幅/アップデートレートを規定し、こうして、ループ安定性問題が存在しない。
水晶振動子110出力が振動検出装置124aを一旦、駆動し始めると、1つのビットメモリラッチ122出力のロジック状態が変化する前に、ある数の振動周波数サイクルが発生しなければならず、これにより、振動検出ループ120aから振動振幅制御ループ130aに、アップ/ダウンカウンタ126の制御が転送される。振動検出装置124の一例となる実装物は、ビットメモリラッチ122の1つのクロック入力にカウントオーバーフローシグナルを出力する前に、ある回数、水晶振動子110aから受信された振動周波数サイクルをカウントするカウンタとすることができる。例えば、カウント数は、128とすることができ、例えば、カウントオーバーフローは、128回の振動周波数サイクルを受信した後に発生する。
振動振幅制御ループ130aは、アップ/ダウンカウンタ126、振動振幅制御装置132及び振動振幅検出装置134を含むことができる。振動振幅制御ループ130aが動作状態になると(一旦、1つのビットメモリラッチ122出力値が、その初期ロジック状態から変わる)、アップ/ダウンカウンタ126は、振動振幅検出装置134(水晶振動子110の振動振幅を表示する)の出力値に応じて、アップデートタイマー152からアップデートクロックパルスを受信する毎に、その中のカウント値を向上又は低下させることができる。このカウント値を使用して、プログラマブル電流源112を制御することができ、これは、次に、相互コンダクタンス増幅器114の相互コンダクタンス(gm)(利得)を制御する。
振動振幅制御装置132は、アップ/ダウンカウンタ126が、OSCIノード(水晶116上の振動電圧)における振動振幅に基づいて、その現在のカウント値を向上させる、低下させる、又は維持する。例えば、以下に限定されないが、振動振幅検出装置134は、OSCIノード上のACシグナル(振動)を、このAC振動シグナルの振幅を表すDC電圧に転送することができる。このDC電圧は、振動振幅制御装置132に接続されてもよい。
振動振幅が、低基準電圧(Vref_L)以下になると、振動振幅制御装置132により、アップ/ダウンカウンタ126は、各アップデートクロックパルス時にそのカウント値を向上させることを可能にする。振動振幅が、低基準電圧Vref_Lより大きい場合、及び高基準電圧Vref_H未満となる場合、振動振幅制御装置132は、アップ/ダウンカウンタ126が、そのカウント値を向上又は低下させないようにする。また、振動振幅が、高基準電圧Vref_H以上となる場合、振動振幅制御装置132は、アップ/ダウンカウンタ126が、各アップデートクロックパルス時にそのカウント値を減少させることを可能にする。
振動子不良検出及びアラーム154はまた、水晶振動子110の不良の検出をもたらして、ある期間内に振動を開始して、そのアラームを鳴らすことができる。
図2を参照すると、本開示の特定の例となる実施形態による、振動検出及び振幅制御ループを備えるデジタルAGCを有する集積回路水晶振動子のより詳細な模式図が図示されている。数200によって一般に表されている集積回路は、外部水晶(図示せず)及びデジタルAGC回路260に接続され得る振動子回路210を含むことができる。外部水晶(図示せず)は、振動子回路210のノード(ピン)OSCI及びOSCOを介して、振動子回路210に接続されていてもよい。デジタルAGC回路260は、振動検出装置224、D−ラッチ222、アップデートタイマー252、アップ/ダウンカウンタ226、マルチプレクサ240及び242、振動エンベロープ検出装置234、ヒステリシスを伴う電圧コンパレータ262及び264、NORゲート266、並びにANDゲート268を備えることができる。振動子回路210は、トランジスタ218であって、この相互コンダクタンス(gm)が、複数の定電流源212の選択からの電流によって制御されるトランジスタ218、フィードバック抵抗器216を含むことができ、トランジスタ218の出力(ドレイン)に接続されている緩衝増幅器214を更に含むことができる。外部水晶は、水晶設計周波数における、ドレインとトランジスタ218のゲートとの間の低いインピーダンスフィードバックパスをもたらす。振動子不良タイムアウトアラーム回路254はまた、ある期間内に始動する振動子回路の不良の検出を提示し、アラームを鳴らすことができる。
集積回路200の初期パワーアップ時に、パワーオンリセット(POR)が生じ得るか、又は任意の時点に、リセットがアサートされて、デジタルAGC回路260を初期化することができる。デジタルAGC回路260の初期設定は、振動検出装置224におけるカウンタのクリア(デジタルカウント値及び状態値を0に設定する)、D−ラッチ222のQ−出力値の低ロジックへの設定(クリア化)、及びアップ/ダウンカウンタ226のその最低値、例えば0値への再設定を含むことができる。いずれか1つ以上のカウンタが、0ではない値で事前ロードされ得ることが企図されて、本開示の範囲内にあるが、本明細書における説明を簡単にするため、すべてのカウンタ/ラッチ値は、0へとクリア(リセット)される。
デジタルAGC回路260の初期設定後、複数の定電流源212からの電流の最低値がトランジスタ218に適用されて、その結果、その相互コンダクタンス(gm)は最小となり得る。この条件下では、振動子回路210は、振動してもよく、又は振動しなくてもよいが、タイマー252は振動子回路210と独立しているので、大きな問題ではない。タイマー252は、カウンタを駆動する振動子を運転する、非常に単純な抵抗器−コンデンサ(RC)となり得る。タイマー252におけるカウンタは、設計時に固定されてもよく、又はプログラマブルであってもよく(図示せず)、これを使用して、これ以降一層、十分に説明するように、最初(第1)のループ制御バンド幅/アップデートを規定することができる。最初に、D−ラッチ222Q−出力は、マルチプレクサ240の出力値を高ロジック(「1」)に、及びマルチプレクサ242の出力値を低ロジック(「0」)にする、低ロジック(「0」)(「OSC_valid」)状態にある。これらの2つのマルチプレクサ出力値は、アップ/ダウンカウンタ226のアップ制御及びダウン制御に適用され、この場合、カウンタ226は、タイマー252からアップデートクロックパルスを受信する毎に、そのカウント値を向上させる。
タイマー252(独立した内部振動子及びカウンタ)からのクロックレート出力値は、さまざまな特徴及び/又は周波数を有する水晶を用いて使用するのに、一層、順応性のあるものになるよう、設計/製造中に規定されて固定され得るか、又はその内部カウンタはプログラマブルとなり得る。好ましくは、タイマー252の出力クロック周波数(最初の第1のサーボループのバンド幅を規定する)は、水晶振動子の振動エンベロープの振動を大きくするために必要な起動時間である、タウ(τ)=10Lm/R_eff未満となる程、十分に遅いものとなり得る。タイマー252の出力クロック周波数に到達させるのは、非常に容易である。したがって、タイマー252からのクロックレート出力値は、デジタルAGCループバンド幅/アップデートレートを規定し、こうしてループの安定性問題がない。
アップ/ダウンカウンタ226は、タイマー252からのクロックパルスを受信する毎に、その中のカウント値を向上又は低下させることができる。このカウント値を使用して、複数の定電流源212のどれを、その相互コンダクタンス(gm)を制御するためのトランジスタ218に接続させるかの選択を制御することができる。いかなるクロックも、アップ/ダウンカウンタ226(及びそのカウント値が0に設定される)によって受信される前に、最小電流値は、トランジスタ218に接続される。すなわち、トランジスタ218は、最小相互コンダクタンス(gm)値で始動し、アップ/ダウンカウンタ226がタイマー252からのクロックパルスを受信する毎に、定電流源212の線形熱測定パターンがイネーブルされ得(線形電流向上)、これにより、更に多くの電流がトランジスタ218に供給され、これにより、トランジスタが、最低電流相互コンダクタンス(gm)値において振動を開始しなかった場合に、振動子回路210が振動を開始するまで、その相互コンダクタンス(gm)を向上させる。
トランジスタ218が、一旦、振動を開始すると、緩衝増幅器214は、Dーラッチ222のクロック入力値へのオーバースローカウント出力値があるまで、振動検出装置224(カウンタ)の駆動を開始する。振動検出装置224の一例の実装体は、カウントオーバーフロークロックを出力する前に、振動子回路210からの受信済み振動波形(サイクル)(緩衝増幅器214の出力値)をある回数、カウントするカウンタとすることができる。例えば、カウント数は、128とすることができ、例えば、カウントオーバーフローは、128回の振動サイクルを受信した後に発生する。
そこからのオーバーフロー出力値がD−ラッチ222をクロック計測すると、そのQ−出力は、低ロジック(「0」)から高ロジック(「1」)に向かい、集積回路によるリセットが事象、例えばPORをリセットするまで、そのロジックレベルに留まる。OSC_validは、D−ラッチ222のQ−出力のロジック状態を表す。OSC_validが低ロジック(「0」)にある場合、マルチプレクサ240の出力値は、高ロジック(「1」)状態に固定され、マルチプレクサ242の出力値は、低ロジック(「0」)に固定され、これにより、アップ/ダウンカウンタ226は、タイマー252からのアップデートクロックパルスを受信する毎に、そのカウント値を常に向上させる。しかし、一旦、OSC_validが、高ロジック(「1」)状態になると、マルチプレクサ240の出力値は、NORゲート266からの出力値に従い、マルチプレクサ242の出力値は、ANDゲート268からの出力値に従う。
振動エンベロープ検出装置234は、OSCIノード上のACシグナル(振動)を、このAC振動シグナルの振幅を表すDC電圧に転送する。このDC電圧は、電圧コンパレータ262及び264の正極入力端子に接続される。Vref_H電圧は、電圧コンパレータ262の負極入力端子に接続され、Vref_L電圧は、電圧コンパレータ264の負極入力端子に接続される。Vref_Hは、Vref_Lより大きい。振動エンベロープ検出装置234からのDC電圧が、Vref_L及びVref_H未満である場合、電圧コンパレータ262及び264からの出力値は、どちらも低ロジック(「0」)にある。振動エンベロープ検出装置234からのDC電圧が、Vref_H未満であるが、Vref_L以上である場合、電圧コンパレータ262からの出力値は、低ロジック(「0」)にあり、電圧コンパレータ264からの出力値は高ロジック(「1」)にある。振動エンベロープ検出装置234からのDC電圧が、Vref_Lより大きく、かつVref_H以上である場合、電圧コンパレータ262及び264からの出力値は、どちらも高ロジック(「1」)にある。Vref_Hは、例えば以下に限定されないが、水晶駆動トランジスタ218のDCバイアスポイントよりも約300ミリボルト高くてもよい。Vref_Lは、例えば以下に限定されないが、水晶駆動トランジスタ218のDCバイアスポイントよりも約100ミリボルト高くてもよい。
電圧コンパレータ262及び264からの出力値は、以下のとおり、NORゲート266及びANDゲート268(出力値)において論理的に一緒にされる:
Figure 0006894929
マルチプレクサ240及び242の出力値は、それぞれ、NORゲート266及びANDゲート268の出力値に従う。アップ/ダウンカウンタ226UP入力値が、高ロジックにあり、DOWN入力値が、低ロジックにある場合、アップ/ダウンカウンタ226は、アップデートタイマー252からアップデートクロックパルスを受信する毎に、そのカウント値を向上させる。UP入力値及びDown入力値が、どちらも低ロジックにあるとき、アップ/ダウンカウンタ226のカウント値は、アップデートタイマー252からのアップデートクロックパルスに関わりなく、変化しない。また、UP入力値が低ロジックにあり、Down入力値が高ロジックにあるとき、アップ/ダウンカウンタ226は、アップデートタイマー252からアップデートクロックパルスを受信する毎に、そのカウント値を低下させる。したがって、トランジスタ218(及び、そのgm)への電流は、Vref_H及びVref_L基準電圧の両方よりも小さい、Vref_L基準電圧以上でありかつVref_H基準電圧未満である、又はVref_H基準電圧以上となる、振動エンベロープ検出装置234からのDC電圧に応じて、それぞれ、増加される、この値を維持する又は低下させることができる。アップ/ダウンカウンタ226のP<n>出力値は、複数の定電流源212のどれをトランジスタ218に接続させるかを制御することができる。
振動子不良タイムアウトアラーム回路254は、アップデートタイマー252からのタイムアウト時間と、振動検出装置224からの振動検出値とを比較することができる。アップデートタイマー252のタイムアウトが、振動検出値未満(又は、振動検出が起こらない)である場合、振動子不良タイムアウトアラーム回路254は、振動子210の不良を示すアラームを鳴らし得る。集積回路200は、例えば、以下に限定されないが、マイクロ制御装置、デジタルシグナルプロセッサ(DSP)、マイクロコンピュータ、プログラマブル・ロジックアレイ(PLA)、特定用途向け集積回路(ASIC)などとすることができる。
図3を参照すると、水晶駆動回路のレプリカ回路の模式図が図示されている。
図3を参照すると、水晶駆動回路のレプリカ回路の模式図が図示されている。レプリカ回路300は、定電流源312、第1の抵抗器314、第2の抵抗器316、複製調整可能電源320、及び振動子トランジスタ218と実質的に類似の特徴を有することができるトランジスタ318を備えることができる。このレプリカ回路は、有利には、水晶振動子トランジスタ218のPVT(電力、電圧及び温度)特徴を追跡することができる、Vref_H及びVref_Lに適切な電圧を供給することができる。Vref_Hは、例えば以下に限定されないが、水晶振動子トランジスタ218のDCバイアスポイントよりも約300ミリボルト高くてもよい。Vref_Lは、例えば以下に限定されないが、水晶振動子トランジスタ218のDCバイアスポイントよりも約100ミリボルト高くてもよい。同様に、基準点(Vref_H及びVref_L)は、上方又は下方に動き、それに応じて、複数の定電流源212からの電流変化をもたらして、振動トランジスタ218(複数の定電流源212からの電流値の変化に関する、主要駆動回路)のバイアスポイントを追跡することができる。
次に、図4を参照すると、本開示の教示による、デジタルAGC回路と組み合わせた水晶振動子の動作を表示したグラフを図示している。ある数のサイクル(例えば、128)が、振動検出装置124/224によりカウントされた後、OSC_validシグナルは、低ロジックから高ロジックに向かう。このサイクルカウント動作は、OSC_validシグナルが低ロジックにある場合に、第1のデジタル制御ループ(振動検出ループ)によって行われ得る。第2のデジタル制御ループ(振動振幅制御ループ)は、OSC_validシグナルが高ロジックにある場合、第1のデジタル制御ループから引き継ぐ。第1の制御ループにおいて、振動の振幅は無視されて、そのある数が検出されて、振動検出装置124/224によってカウントされるまで、そのサイクル数しかカウントされない。そのサイクルカウントが、アップデートタイマー152/252からのアップデートクロックパルスの時間によって達成されない場合、アップ/ダウンカウンタ126/226のカウント値(最初は、0から始まる)は、振動サイクルの予測数がカウントされるまで向上され、例えば、相互コンダクタンス増幅器114/トランジスタ218が不適切なgmである、例えばその振動を始動するには電流が低すぎるため未だ起こらない。振動サイクルのその予測数が、一旦、カウントされると、第2の制御ループが駆動可能状態になり、相互コンダクタンス増幅器114/トランジスタ218への電流は、Vref_H及びVref_L内の振動エンベロープ検出装置134/234からのDC振幅を維持する第2のデジタルループ回路により制御される。
上記のデジタルAGCと水晶振動子のアナログAGC実装との間の重要な差異の1つは、アナログAGCループの大部分は、アナログループの水晶振動子からの初期振動に依存して、正確に作動することであり、このことは、所与の相互コンダクタンス(gm)設定が振動の初期起動に十分に高くない場合でさえも、振動を起こす能力を有していない一方、デジタル制御AGC回路は、独立して選択され得る、ループアップデートレート(振動を起こすのに適切なgm値を探索する)を完全に切り離す。
第2の差異は、主にデジタルAGC回路のデジタル性質により、ループが試行する2つの閾値を有して、OSCIシグナルスイング(これは、一旦、純粋なシグナル品質を設定して増強すると、より小さな電力消費を確実にする、すなわち周波数ジッタがより小さくなる)を維持することができることである。
第3の差異は、振動が最も高い相互コンダクタンス(gm)値でさえ始動しない場合、デジタルAGC回路は、振動不良シグナルを送信することである。多数のアナログAGCループは、ループ内にビルトインヒステリシスが存在しないので、振動出力値を決定するためにいくつかの変換があること、又は故障するおそれのあるシグナル振幅のある値があることによる。
アナログAGC手法とは異なり、本明細書において開示されているデジタルAGCアーキテクチャは、gm(図1に示されているループアップデートカウンタ128)に使用され得る、内部振動子を再使用することにより、完全な同期性のデジタルによるプログラマブルタイマーにはめ込まれ得る。同様に、デジタルAGC回路120は、PVT(電力、電圧及び温度)閾値追跡回路(図3に示されている)を使用して、電圧コンパレータ262及び264により使用される、基準電圧Vref_H及びVref_Lを生成し、適切な水晶振動子回路動作を確実にすることができる。
別の利点は、プロセスが下流に向かう程、幾何学的トランジスタ特徴がますます悪化するので、デジタルAGC回路すべてを有することにより、使用されるトランジスタの設計サイクルタイム選択が低減される。
提案された集積回路は、安定性の必須条件を満たし、水晶の過駆動を回避することが不可欠である場合、自動車用安全用途に使用され得る。更に、提案された集積回路は、非限定的に、16ビット及び/又は32ビットのマイクロ制御装置、Windows(登録商標)携帯型装置(WPD)及び/又はウェアラブルスマートゲートウェイなどのような、携帯型装置プラットフォームを含めた、複数のコンピューティング装置区分及び/又はプラットフォームにわたって使用され得る。

Claims (18)

  1. 集積回路の水晶振動子を作動させる方法であって、
    前記水晶振動子に接続されているデジタル自動利得制御(AGC)回路により水晶振動子の振動振幅の動作をモニタリングして制御する工程であって、前記デジタルAGC回路が、振動検出装置を含む第1のループであって、前記振動検出装置は、カウンタを含み、前記カウンタは、前記水晶振動子からクロックシグナルを受信し、出力シグナルを発生させ、かつ、所定数のサイクルが検出された後に振動検出ラッチを設定する、第1のループと、前記水晶振動子の入力シグナルを受信する振動振幅検出装置を含む第2のループとを含む、工程と、
    前記水晶振動子からの振動が前記第1のループにより検出されるまで、前記水晶振動子の利得を向上させる工程と、
    前記第2のループにより高基準値と低基準値との間の前記振動振幅維持する工程と、
    を含む、方法。
  2. 独立アップデートクロックパルスを発生する工程と、
    前記振動検出ラッチが未だ設定されていない場合、各アップデートクロックパルスにおける前記水晶振動子の相互コンダクタンス増幅器の相互コンダクタンス増幅器利得を向上させる工程と、
    を更に含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記高基準値と前記低基準値との間の前記振動振幅を維持する前記工程が、
    前記振動振幅検出装置からの出力値と、前記高基準値及び前記低基準値とを比較する工程と、
    前記振動振幅検出装置からの前記出力値が前記低基準値未満となる場合、各アップデートクロックパルス時の前記相互コンダクタンス増幅器利得を向上させる工程と、
    前記振動振幅検出装置からの前記出力値が前記高基準値以上となる場合、各アップデートクロックパルス時の前記相互コンダクタンス増幅器利得を低下させる工程と、
    を含む、請求項に記載の方法。
  4. 前記相互コンダクタンス増幅器利得が、そこへの電流を増加させることにより向上される、請求項に記載の方法。
  5. 前記振動検出装置がある期間内に前記水晶振動子からの振動を検出しないとき、水晶振動子不良アラームを生成する工程を更に含む、請求項1に記載の方法。
  6. 前記高基準値が、前記水晶振動子のトランジスタのDCバイアスポイントより00ミリボルト高く、前記低基準値が、前記トランジスタの前記DCバイアスポイントより00ミリボルト高い、請求項1に記載の方法。
  7. レプリカ回路により前記相互コンダクタンス増幅器の電力、電圧及び温度特徴を追跡する、前記高基準値及び前記低基準値をもたらす工程を更に含む、請求項に記載の方法。
  8. 水晶振動子の不良を検出して、そのアラームを鳴らす工程を更に含む、請求項1に記載の方法。
  9. 集積回路であって、
    クロックシグナルを発生させる水晶振動子回路であって、前記水晶振動子回路は、外部水晶に接続するようになされている相互コンダクタンス増幅器と、前記相互コンダクタンス増幅器の相互コンダクタンス増幅器利得に接続されて前記相互コンダクタンス増幅器利得を制御するプログラマブル電流源とを備える、水晶振動子回路と、
    前記水晶振動子回路に接続されているデジタル自動利得制御(AGC)回路であって、振動検出装置を含む第1のループであって、前記振動検出装置は、カウンタを含み、前記カウンタは、前記水晶振動子回路から前記クロックシグナルを受信し、所定数のサイクルが検出された後にオーバーフローシグナルを発生させる、第1のループと、前記水晶振動子回路の入力シグナルを受信する振動振幅検出装置を含む第2のループとを含む、デジタル自動利得制御(AGC)回路と
    を備え、
    前記第1のループが、前記所定数のサイクルが検出されるまで、前記水晶振動子回路の利得を向上するようになされており、その後に、前記第2のループが高振幅値と低振幅値との間の動振幅を維持するようになされている、
    集積回路。
  10. 前記第1のループが、前記水晶振動子回路からの振動の検出前のアップデートインターバル時に、前記プログラマブル電流源を制御し、
    前記第2のループが、前記水晶振動子回路からの前記振動の検出後のアップデートインターバル時に前記プログラマブル電流源を制御する、
    請求項に記載の集積回路。
  11. 前記第1のループが、
    前記振動検出装置、
    前記振動検出装置に接続されているメモリラッチであって、前記振動が検出されると、ロジック状態を変更するメモリラッチと、
    前記プログラマブル電流源に接続されて前記プログラマブル電流源を制御するアップ/ダウンカウンタと、
    を含み、
    前記第2のループが、
    前記相互コンダクタンス増幅器の入力に接続されている入力、及び前記振動振幅を表す出力を有する前記振動振幅検出装置と、
    前記アップ/ダウンカウンタと、
    前記振動振幅検出装置と前記アップ/ダウンカウンタとの間に接続されている振動振幅制御装置と、
    を含み、
    前記振動振幅が前記低振幅値未満の場合に、前記アップ/ダウンカウンタが、前記アップデートインターバル時にその中のカウント値を向上させるように構成され、
    前記振動振幅が前記高振幅値以上の場合に、前記アップ/ダウンカウンタが、前記アップデートインターバル時にその中の前記カウント値を低下させるように構成されている、
    請求項10に記載の集積回路。
  12. 前記高振幅値が、前記相互コンダクタンス増幅器のDCバイアスポイントより00ミリボルト高く、前記低振幅値が、前記相互コンダクタンス増幅器の前記DCバイアスポイントより00ミリボルト高い、請求項9に記載の集積回路。
  13. 前記相互コンダクタンス増幅器の電力、電圧及び温度特徴を追跡する、前記高振幅値及び前記低振幅値をもたらすようになされているレプリカ回路を更に含む、請求項9に記載の集積回路。
  14. 前記アップ/ダウンカウンタ及び/又は前記振動検出装置の前記カウント値がプログラマブルである、請求項11に記載の集積回路。
  15. 前記アップ/ダウンカウンタが、前記集積回路においてパワーオンリセット時にリセットされるようになされている、請求項11に記載の集積回路。
  16. アップデートタイマー、前記振動検出装置前記メモリラッチ及び/又は前記アップ/ダウンカウンタが、前記集積回路における条件のリセット時に再設定可能である、請求項11に記載の集積回路。
  17. 水晶振動子不良アラーム回路を更に備える、請求項9に記載の集積回路。
  18. 前記集積回路がマイクロ制御装置である、請求項9〜17のいずれかに記載の集積回路。
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