KR20080069166A - 크리스털 발진기의 세팅 시간 감소 - Google Patents

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Abstract

상기 크리스털로 개시 펄스를 인가함에 의하여 크리스털 발진기를 제어하는 크리스털의 발진을 개시하기 위한 방법 및 시스템이다. 개시 펄스는 상기 크리스털의 주기성의 반보다 작은 펄스폭을 갖는다.

Description

크리스털 발진기의 세팅 시간 감소{Reducing the settling time of a crystal oscillator}
본 출원은 2005년 9월 26일에 출원된 가출원 번호 60/720,856의 비-가출원이다. 우선권이 가출원번호 60/720,856의 출원일에 대하여 주장된다. 가출원 60/720,856의 전체 내용은 참조로서 여기서 통합된다.
본 출원은 전자 회로단에 관련되고 특히 크리스털 발진기(crystal oscillator)들에 관련된다.
특정 크리스털들의 내재적인 특성들 때문에, 이들은 매우 정확한 주파수에서 발진하도록 만들어질 수 있다. 그러므로 크리스털 제어되는 발진기들은 정확한 주파수가 요구되는 적용들에서 종종 이용된다.
크리스털 발진기들을 제어하기위해 이용되는 크리스털들은 인덕터, 커패시터 및 저항을 포함하는 공명 회로와 같이 행동한다. 즉, 순간적인 신호가 크리스털에 인가되었을 때, 이는 공명 회로가 발진하는 방식과 유사하게 발진한다.
크리스털 발진기 회로들은 크리스털로부터 신호를 취하고, 그 신호를 증폭하고, 크리스털의 발진을 유지하기(또는 증가시키기)위하여 크리스털로 다시 신호를 공급함에 의하여 동작한다. 전력이 크리스털 발진기 회로에 처음으로 인가될 때, 임의의 열적 잡음, 또는 다른 임의의 순간적인 신호들이 크리스털에서 발진을 시작한다. 발진은 시간이 흐르며 증가하고 마침내 그들은 일반 또는 정상 상태 값에 도달한다. 일반적으로 크리스털 발진기는 최종 크기로 안착하기 위하여 대략 20,000 내지 30,000번의 싸이클들을 경험한다.
도 1a는 선행 기술의 크리스털 발진기를 묘사한다. 도 1a에 예시된 발진기는 단일 핀 발진기 회로(10) 및 크리스털(11)을 포함한다. 회로(10)가 전원이 켜졌을 때, 임의의 순간적인 신호의 열적 잡음 또는 어떠한 다른 유형은 크리스털(11)이 발진을 시작하게 야기하고, 크리스털(11) 내의 발진기들은 단일 핀 발진 회로(10)에 의하여 증폭되고 크리스털로 다시 공급된다. 크리스털(11)의 단자들에서의 신호는 도 1b에 예시된 바와 같이 증가한다. 도 1b에서, 수평축은 나노세컨드(nanosecond)에서 시간이고 수직축은 크리스털 단자들에서 출력의 마이크로 볼트들이다. 예시의 편의를 위하여, 도 1b는 오직 제한된 수의 사이클들만을 예시하지만; 사이클들의 상당한 수가 출력 신호가 일반 동작 범위에 도달하기 전에 (일반적으로 대략 20,000 내지 30,000 사이클들) 요구될 수 있다.
어떠한 적용들에서, 발진기를 전원을 켜고 안정화시키기 위하여 요구되는 시간은 고려될만한 것이다. 여기서 묘사된 회로는 크리스털 발진기의 안정된 동작을 개시하기 위하여 요구되는 시간의 양을 감소시킨다.
도 1a는 선행 기술의 회로를 예시한다.
도 1b는 도 1a에서 보인 크리스털에 의해 생성되는 파형을 보여준다.
도 2a는 제1 실시예를 예시한다.
도 2b는 도 2a에서 보인 회로에서의 파형들을 예시한다.
도 3은 크리스털의 등가 회로를 묘사한다.
도 4는 펄스 활성화의 다양한 폭을 갖는 크리스털 출력을 예시한다.
도 5는 도 2a에서 보인 제어 회로의 상세한 예를 보여준다.
본 발명의 몇몇 선호되는 실시예들이 첨부된 도면들을 참조하여 이제 묘사될 것이다. 본 발명의 다양한 다른 실시예들도 또한 가능하고 실시될 수 있다. 본 발명은 많은 다른 형태들로 구현될 수 있고 본 발명은 여기서 제시되는 실시예들에 한정되도록 되지 않아야 한다.
앞서 나열된 도면들은 본 발명의 선호되는 실시예들 및 그러한 실시예들의 동작을 묘사한다. 도면들에서, 상자들의 크기는 다양한 물리적 구성요소들의 크기를 나타내도록 의도되지 않는다. 동일한 요소들이 복수의 도면들에서 나타나는 경우, 동일한 참조 번호는 그것이 나타나는 모든 도면들에서 그 요소를 나타내기 위하여 이용된다. 오직 본 발명의 통상의 기술자에게 실시예들의 이해를 전달하기 위하여 필요한 다양한 유닛들의 그러한 부분들만이 보이고 묘사된다. 보이지 않은 그러한 부분들 및 요소들은 본 기술 분야에서 전통적이고 알려졌다.
도 2a는 본 발명의 제1 실시예를 묘사한다. 도 2a에 보인 회로는 두개의 주요 부분들을 갖는다. 회로의 제1 부분은 크리스털 발진기 회로(20)이고 회로의 제2 부분은 개시 펄스 생성 회로(21)이다.
크리스털 발진기(20)는 크리스털(25) 및 단일 핀 발진기(22)를 포함한다. 단일 핀 발진기(22)는 음의 저항을 생성하고, 이는 발진기가 안착되었을 때(즉, 발진기가 정상 상태 동작에 도달하였을 때), 정확하게 크리스털(25) 내의 양의 저항을 상쇄한다. 단일 핀 발진기들은 본 기술 분야에서 알려져 있다. 그러한 발진기들은 음의 저항 발진기들과 같은 뜻을 갖는 이름에 의하여 기술적 문서에서 때때로 지칭된다. 여기서는 단일 핀 발진기라는 용어가 이용될 것이다. 단일 핀 발진기(11)는 상업적으로 이용 가능한 단일 핀 발진기일 수 있다.
크리스털(25)은 압전 석영 결정(piezoelectric quartz crystal)이다. 크리스털(25)의 발진의 일반 주파수는 일반적인 바와 같이 크리스털의 물리적 특성들에 의하여 결정된다. 여기서 예시된 특정 실시예에서, 크리스털(25)은 82 나노세컨드(nS)의 주기를 갖는다.
개시 펄스 생성 회로(21)는 제어 회로(26) 및 스택(stack)으로 연결된 두 개의 FET 트랜지스터 스위치들(27 및 28)을 포함한다. 트랜지스터 27은 P-FET 트랜지스터이고 트랜지스터 28은 N-FET 트랜지스터이다.
제어 회로(26)는 도 2b에 예시된 신호들 N_PLS 및 P_PLS를 생성한다. N_PLS 및 P_PLS 신호들은 트랜지스터 27 및 28을 제어한다. A, B, C, D, E, F 및 G로 지칭된 일곱 개의 영역들 또는 시간 구간들은 도 2b에 표시되었다.
시간 구간 A에서, (즉, 개시 펄스의 적용 전에) 트랜지스터 27은 닫히고 트랜지스터 28은 열린다. 즉, 신호 N_PLUS 및 P_PLUS 모두 로우(low)이다. 이러한 구 간에서, 전력 공급 전위(29)는 크리스털의 단자들을 가로질러 인가된다.
시간 구간 B 동안에, 트랜지스터 27은 열리고 트랜지스터 28 또한 열린다. 즉, 신호 N_PLUS는 로우이고 신호 P_PLUS는 하이(high)이다. 이는 전력 공급이 접지로 단락되지 않는 것을 보장하기 위하여 제공된 보호 주파수대이다.
구간 C 동안에, 크리스털(25)의 단자들은 트랜지스터 28을 통하여 단락된다. 즉, 트랜지스터 28은 닫힌다. 이러한 구간 동안 트랜지스터 27은 전력 공급이 크리스털로 연결되지 않도록 열린다. 즉, 신호들 N_PLUS 및 P_PLUS 모두 하이이다. 구간 C 동안에, 크리스털을 가로지르는 전압(도 2b 내의 XTAL)은 로우임을 주의하라.
구간 D 동안, 트랜지스터 27은 열리고 트랜지스터 28 또한 열린다. 즉, 신호 N_PLUS는 로우이고 신호 P_PLUS는 하이이다. 이는 전력 공급이 접지로 단락되지 않도록 보장하기 위하여 공급되는 보호 주파수대이다.
구간 E 동안에, 트랜지스터 27은 닫히고 트랜지스터 28은 열린다. 즉, 신호들 N_PLUS 및 P_PLUS 모두 로우이다. 이러한 구간에서 전력 공급 전위(29)는 다시 크리스털의 단자들을 가로질러 인가된다.
구간 F 동안에 (그리고 그 이후에), 두 개 모두의 트랜지스터들이 열린다. 즉, 신호 N_PLUS는 로우이고 신호 P_PLUS는 하이이다. 결국 구간 G에서, 크리스털은 일반적으로 발진한다. 개시 펄스가 인가될 때와 크리스털이 일반적으로 발진하기 시작할 때 사이의 시간은 아래 상세히 설명되는 바와 같이 상대적으로 짧다.
구간 C 동안에 크리스털(25)을 가로지르는 전압(도 2b에서 XTAL로 보임)은 감소하고, 구간 D 동안에 크리스털(25)을 가로지르는 전압은 증가함이 인지된다.
예시된 특정 예들에서, 구간들 B+C+D 및 E는 각각 폭에 있어서 41.7 nS이다. 크리스털이 정상 상태 조건에 도달하기 위하여 요구되는 시간의 양은 아래 주어진 관계식들에 의하여 설명된다.
크리스털은 도 3에 보인 등가 회로와 같은 공명 회로로서 보일 수 있다. 상기 회로는 직렬로 구동 펄스 소스(30), 커패시터(31), 인덕터(32) 및 저항(33)을 포함한다. 커패시터 34는 상기 직렬연결과 함께 병렬일 수 있다.
일반적인 크리스털에 대하여, 크리스털을 나타내는 콤포넌트들은 다음 값들을 가질 수 있다:
커패시터 31: 10.86 fF(femtofarads)
인덕터 32: 16.2 mH (millihenries)
저항 33: 31 옴(ohms)
커패시터 34: 3.89 pF(picofarads)
그러한 크리스털에서, 개시 전류는 열적 잡음 때문에 약 400pA이다. 여기서 묘사된 실시예에서, 크리스털에 인가되는 초기 펄스는 약 3uA의 개시 전류를 제공하고 정상 상태 발진에서, 크리스털 내의 전류는 약 800uA이다.
시간 "t"에서 크리스털 내의 전류는 다음 관계식에 의하여 주어진다:
I(t) = I_start * e^(tau * t)
여기서: I(t)는 임의의 시간 "t"에서 전류이다.
I_(start)는 크리스털 내의 개시 전류이다.
tau는 시간 상수이다.
여기서 보인 실시예에서 tau=120us이다.
최종 전류 I_final은:
I_final = I_start*e^(tau*t_final)
여기서: t_final은 전류가 정상 상태에 도달하는 시간이다.
정상 상태에 도달하기 위하여 요구되는 시간의 양은:
t_final = tau*Ln(I_final/Istart)
개시 펄스가 있는 경우와 없는 경우의 I_start의 비교는:
7500의 비율 또는 인자 (3uA/400pA = 7500)
발진기가 최종 진폭에 도달하는데 요구되는 시간에 있어서 절약되는 시간의 양은 그러므로:
tau*Ln(7500) = 9*tau
열적 잡음이 있으면, t_final = 120us * Ln(800uA/400pA) = 1.74ms이다.
그러나 여기서 보인 회로의 경우:
t_final = 120us*Ln(800uA/3uA) = 0.670 ms,
또는 약 2.6배 더 빠른 개시.
크리스털이 일반 발진에 도달하기 전에 요구되는 상대적으로 짧은 시간은 크리스털 출력이 상대적으로 긴 구간의 시간으로서 그것이 일반 출력에 도달하지 않는 경우의 도 1a에 보인 동작에 대비된다. 크리스털의 동작에서 시간 구간의 정확한 길이는 개별 크리스털들의 특정 특성들에 의존한다. 그러나 전술된 시간 구간들은 일반적인 크리스털을 나타낸다.
도 4는 다양한 폭의 초기 펄스들에 대한 일반적인 크리스털의 반응을 묘사한다. 수직축은 크리스털이 핑(ping)된 후 크리스털의 전류 출력을 나타낸다. 즉, 특정 폭의 펄스가 인가된 후이다. 도 3의 수평축은 크리스털의 발진의 구간의 구획으로서 크리스털에 인가된 펄스의 폭을 나타낸다. 도 3에 예시된 바와 같이, 최고 전류는 펄스가 크리스털의 발진의 구간(도면에서 F로 표시된다)의 반일 때 유도된다.
구간 F에서, 초기 펄스의 펄스폭이 증가함에 따라, 크리스털의 발진의 크기는 증가함이 인지된다. 그 이유는 초기 펄스의 펄스폭이 증가함에 따라, 더 많은 에너지가 크리스털에 공급되기 때문이다. 또한 만약 펄스의 폭이 구간 F보다 긴 크리스털의 발진 구간의 반보다 크다면, 출력의 크기는 감소함이 인지된다.
도 5는 예시적인 실시예 제어 회로(26)를 묘사한다. 제어 회로(26)는 도 2b에서 보인 신호들 P_PLS 및 N_PLS를 생성한다. 도 4에서 보인 회로는 단지 예시적인 것이고 회로들의 다양한 다른 유형들이 도 2b에서 보인 신호들을 생성하기 위하여 이용될 수 있음이 인지된다.
제어 회로(26)는 도 5에 보인 바와 같이 연결된 수개의 OR 회로들, 수개의 인버터들, 수개의 배타적 OR 회로들 및 수개의 AND 회로들을 포함한다. 회로 26은 또한 트랜지스터 스위치 37, 쌍안정 회로(bistable, 즉 플립플롭, 61), 및 저항 38과 커패시터 39를 포함하는 RC 회로를 포함한다. 회로 26내의 모든 구성요소들은 표준적이고 상업적으로 이용 가능한 구성요소들이다.
RC 회로(41)는 펄스들의 길이를 제어한다. 그것은 도 2b 내에 묘사된 구간들 B+C+D 및 E의 길이이다. RC 회로(41)는 함께 RC 회로를 형성하는 저항 38 및 커패 시터 39를 포함한다. 이 회로의 시간 상수는 시간 구간들 B+C+D 및 E의 길이를 결정한다.
배타적 OR 회로 70 및 인버터들(73, 74, 75 및 76)은 짧은 구간의 시간 동안 트랜지스터 37를 닫는 회로를 제공한다. 배타적 OR 회로 70의 출력에서 펄스의 길이는 네 개의 인버터들(73 내지 76)에 의하여 도입되는 지연에 의하여 결정된다. 트랜지스터 37이 닫히는 시간의 길이는 도 2b에서 묘사된 시간 구간들 B 및 D의 길이를 결정한다. 즉, 짧은 구간의 시간 동안 트랜지스터 37을 닫는 것은 신호 N_PLS가 이러한 짧은 구간의 시간 동안 로우에 있는 것을 보장한다.
전력 상승 신호가 단자 39에 인가되었을 때, 인버터들 43 및 44에 의하여 도입되는 약간의 지연 후에, 신호가 라인 45 상에 나타난다. 라인 45 상의 신호는 OR 회로 46를 통한 P_PLS 출력을 활성화시킨다.
플립플롭(61)은 라인 62 상에서 신호에 의하여 리셋 되고, 이는 인버터 60의 출력에 의하여 설정된다. 배타적 OR 50의 출력과 함께 플립플롭 61의 출력은 출력 N_PLS를 활성화 시킨다. 플립플롭 61은 오직 단일 펄스만이 도 2b에서 나타낸 바와 같이 출력 라인들 N_PLS 및 P_PLS 상에 나타나는 것을 보장한다.
요약하면, 제어 회로(26)는 FET 트랜지스터들(27 및 28)을 제어하는 P_PLS 및 N_PLS 펄스들을 생성한다. 트랜지스터 28은 일반적으로 열리지만; 이는 크리스털(25)의 단자들을 가로질러 짧은 것을 생성하기 위하여 잠시 닫힌다. 트랜지스터 27은 크리스털을 가로질러 초기 전하를 인가하기 위하여 처음으로 닫힌다. 이는 다음으로 트랜지스터 28이 닫히는 동안 열린다. 트랜지스터 28이 열린 후에, 트랜지 스터 27은 크리스털 28로 전압 펄스를 인가하기 위하여 다시 닫힌다. 이는 크리스털 25에서 발진을 개시한다.
여기서 보인 실시예들에서, 회로 26은 오직 크리스털 내의 발진을 개시하기 위하여 크리스털(25)로 인가되는 단일 펄스만을 생성한다. 다른 실시예들에서 펄스들의 시리즈가 크리스털에 인가될 수 있다. 그러나 그러한 실시예에서, 인가된 펄스들의 구간이 크리스털의 주기성과 어느 정도 일치됨이 보장될 필요가 있을 것이다. 아니면, 크리스털의 발진과 함께 동기화되지 않는 펄스들은 실제로 크리스털 발진을 감소시킬 수 있다.
본 발명이 그것의 선호되는 실시예들에 대하여 보이고 묘사되는 동안, 다른 실시예들의 넓은 다양성이 본 발명의 범위 및 사상으로부터 벗어남 없이 가능함이 이해되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항들에 의하여 오직 제한된다.

Claims (15)

  1. 크리스털의 발진을 개시하는 방법에 있어서,
    상기 크리스털을 가로질러 전하를 처음으로 인가하는 단계,
    다음으로 상기 크리스털을 가로질러 짧은 전류를 생성하는 단계, 및
    다음으로 상기 크리스털로 전압 펄스를 인가하는 단계를 포함하고,
    이로 인해 발진들이 상기 크리스털 내에서 빠르게 개시되는, 크리스털의 발진을 개시하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 펄스는 대략 상기 크리스털의 발진 주기의 반의 펄스를 갖는, 크리스털의 발진을 개시하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 크리스털은 상기 크리스털의 출력을 증폭하고 상기 크리스털로 다시 상기 증폭된 신호를 공급함에 의하여 발진에서 유지되는, 크리스털의 발진을 개시하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 크리스털은 압전 석영 결정인, 크리스털의 발진을 개시하는 방법.
  5. 두개의 단자들로 연결된 크리스털,
    상기 크리스털의 출력을 증폭하고 상기 크리스털의 단자들로 다시 상기 증폭된 출력을 공급하기 위한 증폭기,
    상기 크리스털의 발진을 개시하기 위하여 상기 크리스털로 펄스를 인가하기 위한 개시 회로를 포함하는 발진기 회로.
  6. 제5항에 있어서, 상기 펄스는 상기 크리스털의 발진 주기의 반보다 작은 펄스폭을 갖는, 발진기 회로.
  7. 제5항에 있어서, 상기 크리스털은 상기 크리스털의 출력을 증폭하여 공급하고 상기 크리스털로 상기 증폭된 신호를 다시 공급함에 의하여 발진에서 유지되는, 발진기 회로.
  8. 제5항에 있어서, 상기 크리스털은 압전 크리스털 결정인, 발진기 회로.
  9. 제5항에 있어서, 상기 증폭기는 단일 핀 발진기 회로인, 발진기 회로.
  10. 제5항에 있어서, 상기 증폭기는 음의 저항 증폭기인, 발진기 회로.
  11. 제5항에 있어서, 상기 개시 회로는 스택으로 연결된 P-FET 트랜지스터 및 N-FET 트랜지스터를 포함하고, 상기 P-FET 트랜지스터는 전력원에 연결되고 상기 N- FET 트랜지스터들은 접지에 연결되는, 발진기 회로.
  12. 제5항에 있어서, 상기 개시 회로는,
    직렬 스택으로 연결되고 접합에서 합쳐지는 P-FET 트랜지스터 및 N-FET 트랜지스터, 및
    접지에 연결된 상기 크리스털의 한 단자 및 상기 접합에 연결된 상기 크리스털의 다른 단자를 포함하는, 발진기 회로.
  13. 크리스털에서 발진을 개시하기 위한 회로에 있어서, 상기 회로는 접합에 의하여 직렬로 연결된 PFET 및 NFET 트랜지스터로서, 상기 트랜지스터들 각각은 소스 및 드레인을 갖고, 상기 PFET의 소스는 전력원에 연결되고 상기 NFET의 소스는 접지에 연결되는, PFET 및 NFET 트랜지스터, 및
    상기 접합 및 접지 사이에 연결되는 상기 크리스털,
    상기 PFET을 닫음에 의하여 상기 트랜지스터를 처음으로 충전시키고, 다음으로 상기 PFET을 열고 상기 NFET를 닫고, 다음으로 상기 PFET를 닫고 상기 NFET를 열고, 마지막으로 상기 PFET 및 상기 NFET 모두를 여는 회로를 포함하는, 크리스털에서 발진을 개시하기 위한 회로.
  14. 크리스털,
    상기 크리스털을 가로질러 연결된 단일 핀 발진기, 및
    상기 크리스털에 개시 펄스를 인가함에 의하여 상기 크리스털의 발진을 개시하기 위한 개시 회로를 포함하는, 발진기 회로.
  15. 제14항에 있어서, 상기 개시 회로는 소스가 전력원에 연결된 PFET 트랜지스터 및 소스가 접지에 연결된 NFET 트랜지스터의 스택, 및 상기 크리스털의 발진을 빠르게 개시하기 위하여 상기 크리스털로 초기 펄스를 인가하기 위하여 상기 트랜지스터들을 닫고 열기 위한 제어 회로를 포함하는, 발진기 회로.
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