PT1396930E - Um oscilador e um circuito integrado - Google Patents

Description

ΡΕ1396930 1 DESCRIÇÃO "UM OSCILADOR E UM CIRCUITO INTEGRADO"

Esta invenção relaciona-se com um circuito oscilador de cristal equilibrado incluindo; um elemento piezoeléctrico; um primeiro sub-circuito oscilador incorporando um transístor; e um segundo sub-circuito oscilador incorporando um transístor; em que os transístores têm cada um diferentes tipos de terminais de transístor, e em que os sub-circuitos osciladores estão configurados com pelo menos três interconexões.

Um circuito oscilador a cristal equilibrado pode ser empregue em vários circuitos electrónicos. No entanto, um campo de aplicação especial está nos equipamentos de comunicações - especialmente nos equipamentos de telecomunicações - em que são geradas ou sintetizadas frequências de referência como sinais periódicos para moduladores, desmoduladores, conversores de frequência para frequências superiores ou inferiores, para circuitos temporizadores, etc. Tipicamente, os sinais periódicos são sinais de onda quadrada.

Os sinais periódicos têm uma frequência fundamental e são gerados por um chamado sintetizador de frequência, que proporciona a frequência fundamental dos 2 ΡΕ1396930 sinais periódicos bem como uma multiplicidade da frequência fundamental para um sinal de referência. De forma a satisfazer requisitos, relacionados com a estabilidade da frequência ou a precisão no tempo, definidos num padrão, com o qual se espera que o equipamento satisfaça, é tipicamente necessário um oscilador de cristal para proporcionar um sinal de referência suficientemente estável ou preciso.

Os equipamentos de comunicações envolvem o processamento de sinal com diferentes gamas de frequências; os circuitos configurados para processarem sinais relacionados com a modulação de um sinal de uma portadora de RF operam com as gamas de frequência mais elevadas e são referidos tipicamente como andares de RF. Os circuitos configurados para processarem sinais relacionados com o sinal a ser comunicado através do sinal da portadora operam com as gamas de frequências mais baixas e são referidos como andares de banda de base ou circuitos de banda de base.

Os andares de RF estão principalmente envolvidos com o processamento de sinais a potência relativamente elevada e a frequências relativamente elevadas; por isso existem fortes fontes de ruído como um legado inevitável dos andares de RF. Os circuitos da banda base envolvem tipicamente sinais de frequência mais baixa a baixos níveis de potência, no entanto o processamento do sinal nestes circuitos é tipicamente levado a cabo como processamento 3 ΡΕ1396930 digital de sinais e, por isso, envolve pesada comutação digital. Os circuitos de banda base são assim também uma vigorosa fonte de ruído.

Para equipamento de comunicações proporcionando, por exemplo comunicação sem fios a Rádio Frequências (RF) , é proporcionado um assim chamado sintetizador de frequência RF com o sinal de referência proveniente de um oscilador de cristal funcionando tipicamente de 10 MHz a 40 MHz.

Para equipamentos de comunicações relativamente complexos e compactos tais como telemóveis, dispositivos de comunicações Bluetooth™, etc., níveis de integração ainda mais apertados tornam desejável integrar os vários circuitos de um dispositivo de comunicações num único circuito integrado. Um tal circuito integrado é tipicamente do tipo semicondutor, em que uma pastilha de semicondutor (um substrato de silício) é acomodada sobre um substrato cerâmico (ou assim chamado suporte metálico) numa embalagem com terminais para se obter um contacto eléctrico com um Circuito Impresso (PCB). O contacto eléctrico entre o substrato de silício e o substrato de cerâmica é alcançado por meio de fios de ligação. Similarmente, o contacto eléctrico entre o substrato de cerâmica e os terminais da embalagem é também alcançado por ligações.

Como consequência da integração desejada acima dos circuitos e das propriedades individuais dos circuitos em relação à geração e emissão de ruído, o circuito 4 ΡΕ1396930 oscilador está situado num ambiente muito ruidoso. Por esse motivo, o oscilador é propenso a captar interferências a partir do substrato de silício do circuito integrado. Adicionalmente, dado que componentes ressoadores do circuito oscilador são colocados frequentemente fora do circuito integrado (isto é, fora da embalagem do circuito integrado), o oscilador é também propenso a captar interferências por meio dos fios de ligação e dos terminais. De facto, o cristal é muito estável e é, até certo ponto, capaz de suprimir a interferência, mas dado que os requisitos são muito apertados, a redução da sensibilidade às interferências é um desafio constante para os desenhadores de circuitos. Para um terminal celular de GSM/GPRS, é aceitável um desvio máximo no desvio na frequência de tão pouco como 0,1 ppm, por exemplo numa situação onde um componente típico tal como um Oscilador Controlado Por Tensão comuta entre ligado e desligado ou muda de frequência.

No entanto, a causa principal de desvios na frequência indesejados ou erro na frequência é devida a um desvio no ponto de funcionamento (devido a quedas de tensão de CC induzidas por interferência em fios de alimentação comuns ou devido à rectificação de sinais de interferência originando desvios locais de CC na corrente ou tensão e/ou devido a sinais de interferência que entram no circuito oscilador de cristal) onde são moduladas componentes não lineares (relacionado com alterações no gm do dispositivo ou capacidades de entrada) . Até certo ponto, pode ser 5 ΡΕ1396930 utilizada a blindagem da própria pastilha, mas os fios de ligação e as pistas metálicas estão expostos a campos magnéticos. Uma estrutura equilibrada, por oposição a uma estrutura com terminal único, ajuda, mas mesmo componentes de interferência de modo comum (isto é, exposições afectando ambos de um par de sinais equilibrados) são também prejudiciais.

Geralmente, deverá ser assinalado que um oscilador de cristal proporciona uma frequência de oscilação muito estável apesar de variações nos níveis de tensão de alimentação e nas características de carga, e é, assim, um tipo de oscilador muito robusto.

Um oscilador bem conhecido é o chamado oscilador de Pierce com uma única célula de amplificação CMOS como proposto por Eric Vittoz ("High-Performance Crystal Oscillator Circuits: Theory and Application"; IEEE Journal of Solid State Circuits, páginas 774-783, Junho de 1988) . Devido a considerações de consumo de corrente, muitos osciladores de cristal de baixa frequência utilizam tipicamente uma única célula de amplificação CMOS, como proposto por Vittoz. Um tal oscilador está mostrado na Fig. 1. Esta célula de amplificação utiliza sinais de terminal único, e como consequência, a ligação à massa do oscilador é um problema sério para grandes pastilhas digitais. Esta falta de ligação à massa suficiente pode resultar em ruído e na injecção de interferências no núcleo do oscilador. Similarmente, o substrato do circuito 6 ΡΕ1396930 integrado não será ligado directamente à massa do ressoador, proporcionando também dessa forma um caminho na direcção do circuito para a interferência. No entanto, apesar de inconvenientes aparentes, é um oscilador popular dado que este pode ser implementado com um único inversor CMOS.

Existem alternativas para o oscilador baseado no inversor CMOS acima. 0 oscilador de Pierce pode também ser baseado num Transístor de Junção Bipolar (BJT) acoplado num modo de colector comum. Osciladores de cristal de terminal único menos favoritos com Transístores de Junção Bipolar são baseados em acoplamentos de emissor comum ou de base comum.

Os osciladores de terminal único acima sofrem todos de não serem suficientemente robustos à interferência do substrato. A Patente SU 1 771 058 divulga um oscilador diferencial com um conversor de impedância negativa (NIC) formado por dois transístores e duas resistências acoplados entre a tensão de alimentação e o terminal colector dos dois transístores, respectivamente. 0 terminal da base de um dos transístores é ligado ao terminal do colector do outro transístor, e vice-versa. Um cristal é acoplado entre os terminais de emissor dos dois transístores. O NIC apresenta uma resistência negativa através do cristal, o que desamortece o circuito quando dimensionado 7 ΡΕ1396930 apropriadamente, de forma que ele oscilará perto da frequência de ressonância do cristal.

Devido à forma de operação diferencial, é possível suprimir alguma da interferência induzida nos fios de ligação; por exemplo a interferência na forma de frequências espúrias induzidas por RF. No entanto, um inconveniente destes e de outros osciladores é uma falta de robustez em relação à chamada interferência do substrato, que pode ter origem, por exemplo, em circuitos no mesmo substrato envolvendo intensa comutação digital, ou outras interferências fortes induzidas nos nodos do oscilador, por exemplo a partir de outro oscilador de RF na pastilha. Este desempenho imperfeito resulta em pequenas variações na frequência de oscilação, chamados desvios na frequência. Os desvios na frequência podem, por exemplo, ocorrer quando actividades de comutação digital se iniciam ou terminam, dependendo da actividade do circuito, ou quando osciladores de RF próximos são ligados ou desligados entre os modos de pausa, transmissão (TX), ou recepção (RX), ou quando um oscilador de RF é sintonizado para outra frequência. Um desvio na frequência típico quando um oscilador de RF de RX ou TX se liga ou desliga, pode ser de até uma parte por milhão (ppm). Os requisitos de GSM/GPRS são mais rigorosos do que 1 ppm e, geralmente, este oscilador não tem um desempenho suficientemente bom em relação aos requisitos de GSM/GPRS.

Como dito acima, um oscilador integrado é ΡΕ1396930 propenso a captar interferência do substrato. 0 oscilador de Pierce (Fig. 1) será sensível à interferência de substrato por via do efeito chamado de "porta inferior" (isto é, um sinal entre o seu substrato e o terminal fonte será amplificado com um ganho de aproximadamente 30% da sua transcondutância no sentido directo). Além disso, o dreno tem uma capacitância de placa em paralelo para o substrato e este percurso pode também causar a injecção de ruído. Substituindo o dispositivo MOS com um transístor bipolar remove o efeito de porta inferior mas não a capacitância paralelo placa substrato.

Para resumir, nenhum dos circuitos do oscilador de Pierce ou do oscilador baseado em NIC são robustos em relação à interferência de substrato, embora exista alguma redução no ruído no modo comum no oscilador baseado em NIC. 0 Pedido de Patente Europeia EP 0 767 532 divulga um oscilador com dois transístores que são ligados em modo diferencial e providos com condensadores de realimentação com ligações cruzadas e um ressoador SAW do tipo terminal único ligado entre os transístores. O ressoador SAW de tipo terminal único é ligado aos colectores dos transístores para bloquear o fluxo da corrente contínua. É divulgado um circuito equilibrado onde a natureza do equilíbrio do circuito cancela componentes com amplitude em oposição de fase, suprimindo dessa forma um sinal espúrio e tendo uma pequena quantidade de corrente de fuga. Adicionalmente, o ressoador SAW de tipo terminal único é utilizado para 9 ΡΕ1396930 evitar o efeito da alteração de temperatura, envelhecimento ou semelhantes, obtendo dessa forma um sinal de alta frequência com um elevado grau de precisão. No entanto, não é referida, para além do equilíbrio, nenhuma redução adicional da sensibilidade em relação a modos de oscilação espúrios e parasitas indesejados. 0 Pedido de Patente Europeu EP 1 215 812 divulga um circuito electrónico sendo alimentado a partir de terminais não filtrados da fonte de alimentação diferencial, onde um terminal no circuito está polarizado para uma tensão na gama entre as tensões dos terminais da fonte de alimentação. 0 circuito pode ser um circuito de RF equilibrado e/ou oscilador. Não é referida, para além do equilíbrio, nenhuma redução adicional da sensibilidade em relação a modos de oscilação espúrios e parasitas indesej ados. 0 Pedido de Patente Europeu EP 0 335 493 divulga um oscilador onde os colectores de dois transístores de um circuito de amplificador diferencial estão ligados a um terminal de uma fonte de alimentação de CC através de diferentes resistências. Os emissores dos transístores são ligados ao outro terminal da fonte de alimentação de CC através de uma fonte de corrente comum, enquanto as bases dos transístores estão ligadas a um circuito de polarização. A degradação de um dispositivo piezoeléctrico pode ser prevenida e o circuito não é facilmente influenciado por ruído proveniente de outro circuito ligado 10 ΡΕ1396930 à fonte de alimentação.

Os problemas acima são solucionados por um oscilador mencionado no parágrafo de abertura em que cada interconexão, entre o primeiro e o segundo sub-circuitos osciladores, inclui um par de tipos semelhantes de terminais dos transístores; em que uma primeira das ditas interconexões constitui uma ligação a uma referência de massa, ou referência de massa para o sinal tal como um barramento de alimentação; uma segunda das ditas interconexões é por via de um primeiro elemento ressoador; e uma terceira das ditas interconexões é por via de um segundo elemento ressoador; os ditos primeiro e segundo circuitos são montados para interagirem por meio dos ditos primeiro e segundo elementos ressoadores para formarem um sinal de oscilador equilibrado, em que o circuito oscilador está configurado com um circuito RC (Rf, Cf) formando um pólo de ganho em circuito fechado na gama de frequências acima de uma frequência primária de oscilação do sinal de saída oscilante. 0 primeiro e segundo sub-circuitos osciladores podem ser constituídos por um transístor, tanto um Transístor de Junção Bipolar como de Metal Óxido Semicondutor; e circuitos para polarizar o transístor e filtrar componentes de frequência indesejadas. O circuito 11 ΡΕ1396930 RC pode ser na forma de, por exemplo, um simples filtro RC. Os pares de terminais semelhantes dos transístores podem ser um par de terminais colector, formado por um terminal colector de cada um dos transístores ou um par de terminais dreno para transístores BJT ou MOS, respectivamente. Tipicamente, os primeiro e segundo elementos ressoadores são um condensador e um cristal piezoeléctrico, respectivamente. Os dois sub-circuitos osciladores interagem transportando energia para a frente e para trás entre o primeiro e o segundo circuitos osciladores à frequência do ressoador (oscilador). 0 sinal de saída equilibrado é disponibilizado preferencialmente através do primeiro ou segundo elemento ressoador.

Consequentemente, é proporcionado um oscilador muito preciso, que é robusto à interferência. 0 oscilador é cinco a dez vezes menos sensível à interferência do que alguns dos osciladores antecedentes na arte acima mencionados.

Numa forma de realização, o circuito RC inclui uma resistência e um condensador. Alternativamente, o circuito RC inclui uma resistência e um condensador de entrada dos transístores.

Adicionalmente, o oscilador possui um excelente desempenho no desvio de frequência, o que permite que o oscilador seja utilizado em combinação com outros osciladores na pastilha, por exemplo osciladores de RF, 12 ΡΕ1396930 proporcionando assim uma frequência de base estável sob todos os modos operacionais. 0 desempenho no desvio de frequência pode ser medido como a alteração na frequência do oscilador de acordo com a presente invenção quando elementos que causem interferência, tal como circuitos de comutação digital ou outros osciladores, são ligados ou desligados ou quando as suas condições de operação são alteradas de outra forma. Para o oscilador de acordo com a presente invenção, a frequência de oscilação é apenas afectada pela interferência numa extensão muito limitada. Isto, por sua vez, torna possível satisfazer os requisitos em relação à variação da sua frequência de saída sem circuitos adicionais para reduzirem esta variação. Os testes têm mostrado que o presente oscilador é capaz de satisfazer os requisitos definidos pelo padrão GSM/GPRS.

Preferencialmente, o sinal de saída equilibrado é disponibilizado numa primeira junção do circuito (Tla; T2a; T3a) e numa segunda junção do circuito (Tlb; T2b; T3b) ligadas a um primeiro e segundo terminais, respectivamente, de um dos pares de terminais semelhantes do transístor; os quais estão interligados por um elemento ressoador.

Em formas de realização convenientes, os transístores são do tipo Transístor de Junção Bipolar (BJT) . Dado que os transístores BJT não têm o chamado efeito de porta inferior que os transístores MOS têm, esta via de interferência da fonte para o substrato é evitada. 13 ΡΕ1396930

Numa forma de realização preferida, a primeira, segunda, e terceira das ditas interconexões consistem de um par de terminais do tipo colector, terminais do tipo base, e terminais do tipo emissor, respectivamente; dessa forma configurando o circuito oscilador equilibrado com um acoplamento dual de transístores de colector comum. Esta forma de realização preferida é vantajosa, já que é relativamente fácil de polarizar, por exemplo por um simples sub-circuito com resistências. Adicionalmente, dado que o colector está ligado à referência da massa, a porção do substrato que constitui o colector do transístor pode proporcionar a blindagem da base e emissor dos transístores, protegendo dessa forma ainda mais o oscilador de sinais de ruído.

Num tipo alternativo de forma de realização, a primeira, segunda e terceira das ditas interconexões consiste de um par de terminais do tipo base, terminais do tipo colector, e terminais do tipo emissor, respectivamente, configurando dessa forma o circuito oscilador equilibrado com um acoplamento dual de transístores de base comum.

Quando o primeiro elemento ressoador é constituído por um elemento piezoeléctrico e o segundo ressoador é constituído por um condensador, é obtida uma configuração vantajosa do oscilador. Apesar da operação equilibrada do oscilador, apenas um único cristal é necessário, proporcionando assim um oscilador equilibrado 14 ΡΕ1396930 económico .

Num tipo alternativo de forma de realização, a primeira, segunda e terceira das ditas interconexões consiste de um par de terminais do tipo emissor, terminais do tipo colector, e terminais do tipo base, respectivamente, configurando dessa forma o circuito oscilador eguilibrado com um acoplamento dual de transístores de emissor comum.

Vantajosamente, pelo menos um dos transístores é proporcionado com corrente de polarização por meio de uma resistência ligada entre o emissor de um transístor e uma fonte de tensão. 0 circuito de polarização com resistência oferece uma vantagem, em relação a fontes de corrente activas, por o sub-circuito da resistência oferecer uma vantagem em relação ao isolamento do substrato. Desta forma, por meio do sub-circuito da resistência, é proporcionada a polarização dos transístores sem introduzir uma via de interferência para o transístor a partir de outras porções do substrato.

Quando é necessário um ponto de operação dos transístores mais estável do gue o proporcionado com o sub-circuito de polarização baseado na resistência, pelo menos um dos transístores é/são providenciados com corrente de polarização por meio de uma fonte de corrente activa. Isto, ponto de operação mais estável, pode ser necessário quando condições internas ou externas ao circuito integrado 15 ΡΕ1396930 influenciem consideravelmente e actuem de outra forma incontroladamente sobre o ponto de operação.

Preferencialmente, os transístores são operados na classe C. Dessa forma, a carga do circuito ressoador é inferior, resultando em menor desvio de frequência devido a interferência por RF. Adicionalmente, dado que a corrente de saída apenas flui num intervalo de tempo menor do que meio ciclo de um ciclo de oscilação completo, o consumo de corrente é muito baixo. O intervalo de tempo é também referido como o ângulo de condução.

Preferencialmente, os transístores são do tipo Metal Óxido Semicondutor (MOS).

Foi afirmado acima que os dispositivos BJT num acoplamento de colector comum proporcionam uma blindagem da base e emissor; mas, infelizmente, os dispositivos MOS não proporcionam uma blindagem similar no correspondente acoplamento de dreno comum, a menos que seja aplicada uma tecnologia de dispendiosa de triplo poço. No entanto, quando o oscilador é caracterizado por a primeira, segunda e terceira das ditas interconexões consiste de um par de terminais do tipo dreno, terminais do tipo porta, e terminais do tipo fonte, respectivamente; formando dessa forma um acoplamento dual de transístores de dreno comum, a relativamente larga oscilação do sinal entre a porta e o substrato, bem como entre a fonte e o substrato, tornarão a interferência do substrato relativamente pequena. 16 ΡΕ1396930

Preferencialmente, a primeira, segunda e terceira das ditas interconexões consiste de um par de terminais do tipo porta, terminais do tipo dreno, e terminais do tipo fonte, respectivamente, configurando dessa forma o circuito do oscilador equilibrado com um acoplamento dual de transístores de porta comum.

Preferencialmente, o primeiro elemento ressoador é constituído por um elemento piezoeléctrico e o segundo ressoador é constituído por um condensador.

Um problema geral com osciladores de cristal é o facto de que eles podem arrancar num modo indesejado. Em princípio, um oscilador pode oscilar a qualquer frequência onde o circuito fechado de ganho seja suficientemente elevado (isto é, maior do que um) enquanto o desvio de fase é igual a 180 graus. Tais frequência de ressonância ocorrem frequentemente a harmónicas do cristal ou onde possam ser encontradas ressonâncias parasitas (tipicamente a frequências mais elevadas). Este problema é solucionado quando o circuito do oscilador é configurado com um circuito RC formando um pólo de circuito fechado de ganho na gama de frequências acima de uma frequência primária de oscilação do sinal de saída oscilante. Preferencialmente, tal ressonância geralmente indesejada é suprimida inserindo um filtro LC em série com o cristal. A invenção também se relaciona com um circuito integrado incluindo um circuito que, em combinação com os 17 ΡΕ1396930 elementos ressoadores, constitui o oscilador evidenciado acima; o dito circuito integrado inclui terminais para a interconexão eléctrica com os elementos ressoadores. Desta forma, os componentes que ocupam uma larga área na pastilha do circuito integrado são montados fora da pastilha do circuito integrado. Esta é uma solução mais económica em espaço e custo.

Adicionalmente, a invenção relaciona-se com um circuito integrado incluindo um circuito que, em combinação com um elemento piezoeléctrico, constitui o oscilador evidenciado acima; o dito circuito integrado inclui terminais para a interconexão eléctrica com o elemento piezoeléctrico. Desta forma, se existir na pastilha do circuito integrado espaço suficiente, os componentes capacitivos podem ser acomodados na pastilha do circuito integrado, montando consequentemente apenas o elemento piezoeléctrico fora da pastilha.

Além disso, a invenção relaciona-se com um telefone móvel incluindo o oscilador como evidenciado acima. A invenção será explicada mais completamente abaixo em conexão com uma forma de realização preferida e com referência aos esquemas, nos quais: A Fig. 1 mostra um oscilador de cristal de terminal único; ΡΕ1396930 18 A Fig. 2a mostra um equilibrado baseado num acoplamento colector comum; oscilador de cristal dual de transístores em A Fig. 2b mostra um equilibrado baseado num acoplamento base comum; oscilador de cristal dual de transístores em A Fig. 2c mostra um equilibrado baseado num acoplamento emissor comum; oscilador de cristal dual de transístores em A Fig. 3 mostra um oscilador de cristal equilibrado baseado num acoplamento dual de transístores em colector comum com um circuito de polarização; A Fig. 4 mostra uma fonte de corrente; A Fig. 5 mostra um oscilador de cristal equilibrado com elementos ressoadores externos. A Fig. 1 mostra um oscilador de cristal de terminal único. 0 circuito oscilador está ilustrado incluindo um primeiro e um segundo sub-circuito. 0 primeiro sub-circuito 101 é implementado tipicamente por meio de componentes passivos montados num circuito impresso (PCB), enquanto o segundo sub-circuito 102 é implementado num substrato num componente em circuito integrado (IC) que é montado no PCB. 19 ΡΕ1396930 O primeiro sub-circuito 101 inclui um dispositivo oscilante na forma de um cristal (Xtal) 103 neste caso com uma frequência de oscilação nominal na gama de 10 MHz a 40 MHz. 0 cristal está ligado electricamente ao segundo sub-circuito 102 por meio de dois conectores 106 e 107. A frequências próximas da frequência nominal de ressonância em série, o cristal tem uma relativamente baixa impedância. No entanto, a frequências abaixo e acima da frequência de ressonância em série, o cristal tem uma relativamente elevada impedância. Assim, abaixo e especialmente acima da frequência nominal, um sinal oscilante através do cristal será sensível a interferência electromagnética, ou seja ruído, induzido nos conectores 106 e 107. Os condensadores 104 e 105 estão ligados ao cristal para proporcionarem uma carga e frequência de ressonância definidas - e para acoplar componentes de alta frequência no sinal a uma referência de massa G1. 0 segundo sub-circuito 102 inclui um dispositivo activo 109 na forma de um transístor MOS polarizado por uma fonte de corrente (IQ) 110. 0 transístor MOS e a fonte de corrente estão ligados a uma referência de massa G2. A referência de massa G2 está ligada electricamente à referência de massa G1 por meio de um condutor 108.

Desta forma é possível detectar um sinal oscilante em referência à referência de massa G2 na junção do circuito indicada com a maiúscula "A" no segundo sub-circuito. Uma resistência de polarização 111 está 20 ΡΕ1396930 aplicada entre os terminais dreno e porta do transístor 109 para proporcionar condições de funcionamento apropriadas ao transístor.

Um oscilador do tipo acima descrito proporciona tipicamente sinais de temporização, extraídos do sinal do oscilador por meio de, por exemplo, um inversor CMOS de dois transístores, a ser proporcionado a outros sub-circuitos no substrato do acima mencionado circuito integrado. A Fig. 2 mostra um oscilador de cristal equilibrado baseado num acoplamento dual de transístores em colector comum. 0 oscilador de cristal equilibrado inclui dois sub-circuitos osciladores semelhantes ou sub-circuitos 201 e 202. Os sub-circuitos são funcionalmente circuitos semelhantes que não descrevem a implementação física do oscilador. A respeito da implementação física, um cristal piezoeléctrico 207 e condensadores opcionais 208, 206, e 205 são colocados fora de um circuito integrado dado que eles ocupam demasiado espaço no circuito integrado. Outros componentes do oscilador tais como, por exemplo, os transístores 203 e 204 são colocados no circuito integrado.

Os transístores têm três terminais de transístor diferentes, isto é, colector, base e emissor no caso de os transístores serem do tipo bipolar (BJT), e fonte, porta, e dreno no caso de os transístores serem do tipo Metal Óxido Semicondutor (MOS). 21 ΡΕ1396930

Os sub-circuitos são acoplados conjuntamente por meio de três interconexões, onde cada interconexão inclui um par de terminais de transístor semelhantes. Assim, uma interconexão inclui o percurso no circuito, de um terminal de transístor (colector, base, emissor; ou dreno, porta, fonte) no primeiro sub-circuito, para um terminal de transístor semelhante no segundo sub-circuito - formando os dois terminais de transístor um par de terminais. Uma primeira das três interconexões inclui um cristal piezoeléctrico (Xtal) 207, que acopla o terminal base do transístor 204 ao terminal base do transístor 203. Uma segunda das três interconexões inclui um elemento ressoador na forma de um condensador 208, que acopla o terminal emissor do transístor 204 ao terminal emissor do transístor 203. Uma terceira das três interconexões liga o terminal colector do transístor 204 e o terminal colector do transístor 203 a uma referência de massa (gnd) , ou uma referência de massa do sinal (por exemplo Vcc). Preferencialmente, esta referência de massa é uma referência de massa num circuito integrado. É proporcionado um sinal equilibrado (isto é, de dois fios) de saída do oscilador tanto através do cristal piezoeléctrico 207 nas junções do circuito ou terminais Tla e Tlb ou através do condensador 208 nas junções do circuito ou nos terminais T2a e T2b. Por isso, o sinal de saída equilibrado é disponibilizado num dos pares de terminais de transístor do mesmo tipo, isto é, no par de terminais base ou no par de terminais emissor. 22 ΡΕ1396930 A Fig. 2b mostra um oscilador de cristal equilibrado baseado num acoplamento dual de transístores em base comum. 0 oscilador de cristal equilibrado inclui dois sub-cicuitos do oscilador semelhantes ou sub-circuitos 210 e 209. Cada sub-circuito inclui um condensador 214, 213 e um dispositivo activo na forma de um transístor 212, 211. Os transístores têm três terminais de transístor diferentes, isto é, colector, base e emissor, no caso de os transístores serem do tipo bipolar (BJT), e fonte, porta e dreno, no caso de os transístores serem do tipo Metal Óxido Semicondutor (MOS).

Os sub-circuitos são acoplados conjuntamente por meio de três interconexões, onde cada interconexão consiste de um par de terminais de transístor do mesmo tipo. Uma primeira das três interconexões inclui um cristal piezoeléctrico (Xtal) 215, que acopla o terminal colector do transístor 212 ao terminal colector do transístor 211. Uma segunda das três interconexões inclui um elemento ressoador na forma de um condensador 216, que acopla o terminal emissor do transístor 212 ao terminal emissor do transístor 213. Uma terceira das três interconexões liga o terminal base do transístor 212 e o terminal base do transístor 213 a uma referência de massa (gnd).

Novamente, deverá ser notado que uma interconexão inclui o percurso no circuito de um terminal de transístor 8colector, base, emissor; ou dreno, porta, fonte) no primeiro sub-circuito a um terminal de transístor 23 ΡΕ1396930 semelhante no segundo sub-circuito - formando os dois terminais do transístor um par de terminais. É proporcionado um sinal de saída do oscilador equilibrado tanto através do cristal piezoeléctrico 215 nos terminais T3a e T3b ou através do condensador 216 nos terminais T4a e T4b. Por isso, o sinal de saída equilibrado é disponibilizado num dos pares de terminais de transístor do mesmo tipo, isto é, no par de terminais colector ou no par de terminais emissor.

Deverá ser referido que os sub-circuitos 210 e 209 são funcionalmente circuitos semelhantes que não descrevem a implementação física do oscilador. A respeito da implementação física, o elemento ou elementos ressoadores 215 e opcionalmente 214, 213 e 216 são colocados fora de um circuito integrado, ao passo que os outros componentes são tipicamente colocados no circuito integrado. A Fig. 2c mostra um oscilador de cristal equilibrado baseado num acoplamento dual de transístores em emissor comum. O oscilador de cristal equilibrado inclui dois sub-cicuitos do oscilador semelhantes ou sub-circuitos 218 e 217. Cada sub-circuito inclui um cristal piezoeléctrico 222, 221 e um dispositivo activo na forma de um transístor 220, 219. Os transístores têm três terminais de transístor diferentes, isto é, colector, base e emissor, no caso de os transístores serem do tipo bipolar (BJT) , e - 24 - ΡΕ1396930 fonte, porta e dreno, no caso de os transístores serem do tipo Metal Óxido Semicondutor (MOS).

Os sub-circuitos são acoplados conjuntamente por meio de três interconexões, onde cada interconexão consiste de um par de terminais de transístor do mesmo tipo. Uma primeira e uma segunda das três interconexões inclui elementos ressoadores na forma de um condensador 223 e 224, respectivamente, que acopla o terminal colector do transístor 220 ao terminal colector do transístor 219 e o terminal base do transístor 220 ao terminal base do transístor 219, respectivamente. Uma terceira das três interconexões liga o terminal emissor do transístor 220 e o terminal emissor do transístor 219 a uma referência de massa (gnd). Por isso, os elementos piezoeléctricos 221 e 222 do sub-circuito 217 e 218, respectivamente, com frequência de oscilação nominal semelhante, interagem para proporcionarem um sinal de saída do oscilador equilibrado com uma frequência de, ou perto da frequência de oscilação nominal. O sinal de saída do oscilador equilibrado é disponibilizado tanto através do condensador 223 nos terminais T5a e T5b ou através do condensador 224 nos terminais T6a e T6b. Por isso, o sinal de saída equilibrado é disponibilizado num dos pares de terminais de transístor do mesmo tipo, isto é, no par de terminais colector ou no par de terminais emissor. Deverá ser referido que os sub-circuitos 218 e 217 são funcionalmente sub-circuitos 25 ΡΕ1396930 semelhantes que não descrevem a implementação física do oscilador. A Fig. 3 mostra um oscilador de cristal equilibrado baseado num acoplamento dual de transístores em colector comum com um circuito de polarização. Primeiro, será descrita a configuração do circuito, segundo, serão explicadas questões relacionadas com o aspecto funcional e de desenho. 0 oscilador de cristal equilibrado inclui dois sub-circuitos osciladores semelhantes ou sub-circuitos 302 e 301. Cada sub-circuito inclui um condensador 306, 305 e um dispositivo activo na forma de um transístor 304, 303. Os sub-circuitos são acoplados conjuntamente por meio de três interconexões, onde cada interconexão consiste de um par de terminais de transístor de tipo semelhante. Uma primeira das três interconexões inclui um cristal piezoeléctrico (Xtal) 313, que acopla o terminal base do transístor 304 ao terminal base do transístor 303. Adicionalmente, a interconexão inclui uma resistência Rf 311, 308 dos respectivos circuitos. Assim, os terminais base são acoplados conjuntamente por via das resistências 311, 308, e do cristal 313. Uma segunda das três interconexões inclui um elemento ressoador na forma de um condensador 314, que acopla o terminal emissor do transístor 304 ao terminal emissor do transístor 303. Uma terceira das três interconexões liga o terminal colector do transístor 304 e o terminal colector do transístor 303 a uma referência de massa (gnd). 26 ΡΕ1396930 É proporcionado um sinal equilibrado (isto é, de dois fios) de saída do oscilador tanto através do cristal piezoeléctrico 313 nos terminais T7a e T7b ou através do condensador 314 nas junções do circuito ou terminais T8a e T8b. Por isso, o sinal de saída equilibrado é disponibilizado num dos pares de terminais de transístor do mesmo tipo, isto é, no par de terminais base ou no par de terminais emissor.

Um sub-circuito de polarização para o oscilador dual em colector comum pode ser implementado como se esboça na Fig. 3. Aqui, as resistências Rb 310, 307 ligam os terminais base do BJT a uma fonte de tensão de polarização Vb 317, 318. Esta tensão de polarização pode ser derivada a partir de uma referência de banda interdita, por via de um divisor de tensão, etc. A Rb 310, 307 deverá ser escolhida para ser suficientemente grande para evitar uma carga desnecessária no circuito ressoador, mas não tão demasiado alta que variações no ganho de corrente do BJT (βΡ) tornem o ponto de polarização instável. As resistências Re 316, 315 proporcionam a corrente de polarização para os dispositivos activos 304, 303. Estas resistências 316, 315 podem ser substituídas por fontes de corrente activas, se estiver disponível uma fonte de tensão suficientemente elevada, mas as resistências podem oferecer uma vantagem em relação a um melhor isolamento do substrato.

Modos de oscilação indesejados e espúrios podem ser suprimidos por meio de um filtro RC formado pelas 27 ΡΕ1396930 resistências Rf 311, 308 e os condensadores Cf 312, 309. As resistências, conjuntamente com Cf 312, 309 e a capacitância de entrada do BJT (ou MOS quando aplicável), formam um pólo de circuito fechado de ganho que pode ser adaptado de forma tal que apenas o desejado modo de oscilação seja possível. O condensador Cf 312, 309 pode ser omitido, dado que as capacidades de entrada dos dispositivos activos pode ser suficiente, ou substituídos por um único condensador através das bases onde não seja desejada a rejeição de modo comum. Isto não necessitará de uma alteração dos condensadores 306, 305 e 314, que, em combinação com o cristal, formam o sub-circuito ressoador. Tipicamente, os condensadores 306 e 305 são seleccionados para terem aproximadamente duas vezes a capacidade do condensador 314.

Qualquer ruído acoplado pelo substrato, por via do condensador das placas paralelas colector substrato, será desviado para uma massa do sinal (por exemplo gnd) e não entrará no transístor. A Fig. 4 mostra uma fonte de corrente. Esta fonte de corrente ou outras fontes de corrente apropriadas, podem ser aplicadas para proporcionarem uma corrente de polarização aos transístores 304 e 303 quando estiver presente uma fonte de tensão suficientemente elevada e quando seja necessário um ponto de operação estável dos transístores. Isto é alcançado substituindo cada uma das resistências 316 e 315 por uma fonte de corrente ou espelho 28 ΡΕ1396930 de corrente. É bem conhecido como se aplica a fonte de corrente para polarizar os transístores, mas para ficar completo, o terminal assinalado por L (correspondente ao terminal colector do transístor 402) é ligado ao terminal colector dos transístores 304 e 303. O terminal emissor do transístor 402 é ligado à referência da massa. O terminal base do transístor 402 é ligado a uma junção base-colector do transístor 401. Esta junção é ligada a uma extremidade de uma resistência 403, que, na sua outra extremidade, está ligada a uma fonte de tensão (Vcc). O terminal emissor do transístor 401 está ligado à referência de massa, gnd. Numa forma de realização prática, as duas fontes de corrente que substituem as resistências Re 316 e 315 serão realizadas de modo a partilhares o mesmo transístor 401 e a resistência 403 fazendo dessa forma uma ligação base-base do transístor 401 para o 402a e do 401 para o 402b, onde os índices a e b indicam uma fonte de corrente para cada sub-circuito 302 ou 301 . A Fig. 5 mostra um oscilador de cristal equilibrado com elementos ressoadores externos. Um circuito eléctrico 501 operado a partir de, por exemplo uma bateria 503 ou outra fonte de alimentação, inclui um circuito integrado 502 e componentes 504, 505, 506, e 507 externos ao circuito integrado. Tipicamente, o circuito integrado 502 e os componentes externos 504-507 são montados num Circuito Impresso, PCB. A razão para colocar os componentes 29 ΡΕ1396930 504, 505, 506, e 507 externamente ao circuito integrado é principalmente devido ao facto que estes componentes ocupam tipicamente demasiado espaço no circuito integrado.

Para o oscilador dual em colector comum, o condensador 208; 314 pode ser colocado externamente ao circuito integrado, como se ilustra pelo condensador 504. Similarmente, os condensadores 206; 306, 205; 305, e o cristal 207; 313 podem ser colocados externamente ao circuito integrado como se ilustra pelo condensador 505, 506 e o cristal 507. O circuito de polarização, dispositivos activos (transístores), filtros, etc. do oscilador equilibrado, de acordo com a invenção, são colocados preferencialmente no circuito integrado.

Para concluir, é divulgado um oscilador de cristal diferencial altamente integrado, com elevada rejeição de modo comum, boa imunidade a interferência do substrato, protecção contra modos de ressonância parasitas e baixa sensibilidade a interferência de RF.

Embora a discussão precedente tenha sido baseada no cristal como o elemento mais selectivo em frequência, é possível substituir o Xtal por um indutor, um ressoador cerâmico, ou outro componente com as características de impedância apropriadas. Um cristal, no entanto, tipicamente renderá o maior desempenho em estabilidade de frequência.

Geralmente, o termo "referência de massa" designa 30 ΡΕ1396930 uma referência vista a partir do ponto de vista do modelo do sinal. Por isso, uma referência de massa pode ser ligada aos potenciais da fonte de alimentação (gnd ou Vcc) ou outros potenciais de voltagem substancialmente fixos.

Geralmente, o termo "sub-circuito" tem sido utilizado como um termo para uma parte de um circuito electrónico, mas termos alternativos como "rede do circuito" ou "rede" ou "circuito", etc. são a ele equivalentes .

Lisboa, 10 de Novembro de 2011

Claims (20)

1. ΡΕ1396930 1 REIVINDICAÇÕES 1. Circuito oscilador de cristal equilibrado incluindo: um elemento piezoeléctrico (207; 215; 222, 221, 313) ; um primeiro sub-circuito oscilador (202; 210; 218, 302) incorporando um transístor (204; 212; 220; 304) ; e um segundo sub-circuito oscilador (201; 209; 217; 301) incorporando um transístor (203; 211; 219; 303); em que os transístores têm cada um diferentes tipos de terminais de transístor, C, B, E; D, G, S, e em que os sub-circuitos osciladores estão configurados com pelo menos três interconexões; cada interconexão inclui um par de terminais de transístor de tipo semelhante; em que uma primeira das ditas interconexões constitui uma ligação para uma referência de massa (gnd; Vcc) ; uma segunda das ditas interconexões é por via de um primeiro elemento ressoador (207; 215; 223; 313); uma terceira das ditas interconexões é por via de um segundo elemento ressoador (208; 216; 224; 314); os ditos primeiro e segundo circuitos são montados para interactuarem por meio dos ditos primeiro e segundo elementos ressoadores para formarem um sinal de oscilador equilibrado; 2 ΡΕ1396930 CARACTERIZADO POR o circuito oscilador está configurado com um circuito RC (Rf, Cf) formando um pólo de circuito fechado de ganho na gama de frequência acima de uma frequência de oscilação primária do sinal de saída oscilante, em que a resistência (Rf) do circuito RC (Rf, Cf) está ligada entre a base do transístor (304) do primeiro sub-circuito oscilador e a segunda interconexão e em que o elemento capacitivo do circuito RC (Rf, Cf) inclui uma capacitância de entrada do transístor (304) do primeiro sub-circuito oscilador.
2. 2. Oscilador de cristal equilibrado de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por o elemento capacitivo do circuito RC (Rf, Cf) incluir adicionalmente um condensador (Cf, 312), e em que um terminal do condensador (Cf, 312) está ligado à dita base do transístor (304) do primeiro sub-circuito oscilador.
3. 3. Circuito oscilador de cristal equilibrado de acordo com as Reivindicações 1 ou 2, caracterizado por o sinal de saída equilibrado ser disponibilizado numa primeira junção do circuito (Tla; T2a; T3a, T4a, T5a, T6a, T7a, T8a) e numa segunda junção do circuito (Tlb; T2b; T3b, T4b, T5b, T6b, T7b, T8b) conectadas a um primeiro e segundo terminal, respectivamente, de um dos pares dos terminais de transístor de tipo semelhante; cujos tipos semelhantes de terminais de transístor estão interligados por um elemento 3 ΡΕ1396930 ressoador (207; 208; 215; 216; 223; 224; 313; 314).
4. 4. acordo com as transístores Bipolar, BJT. Circuito oscilador de cristal equilibrado de Reivindicações 1 a 3, caracterizado por os serem do tipo Transístor de Junção
5. 5. Circuito oscilador de cristal equilibrado de acordo com a Reivindicação 4, caracterizado por a primeira, sequnda, e terceiras das ditas interconexões consistirem de um par de terminais do tipo colector, terminais do tipo base, e terminais do tipo emissor, respectivamente; configurando dessa forma o circuito oscilador equilibrado com um acoplamento dual de transístores em colector comum.
6. 6. Circuito oscilador de cristal equilibrado de acordo com a Reivindicação 4, caracterizado por a primeira, segunda, e terceiras das ditas interconexões consistirem de um par de terminais do tipo base, terminais do tipo colector, e terminais do tipo emissor, respectivamente, configurando dessa forma o circuito oscilador equilibrado com um acoplamento dual de transístores em base comum.
7. 7. Circuito oscilador equilibrado de acordo com a Reivindicação 5 ou 6, caracterizado por o primeiro elemento ressoador ser constituído por um elemento piezoeléctrico (207; 215; 313) e o segundo elemento ressoador (208; 216; 314) ser constituído por um condensador. 4 ΡΕ1396930
8. 8. Circuito oscilador de cristal equilibrado de acordo com a Reivindicação 4, caracterizado por a primeira, segunda, e terceiras das ditas interconexões consistirem de um par de terminais do tipo emissor, terminais do tipo colector, e terminais do tipo base, respectivamente, configurando dessa forma o circuito oscilador equilibrado com um acoplamento dual de transístores em emissor comum.
9. 9. Circuito oscilador de cristal equilibrado de acordo com qualquer das Reivindicações de 1 a 8, caracterizado por pelo menos um dos transístores estar/estarem providos com corrente de polarização por meio de uma resistência (Re) acoplada entre o emissor de um transístor e uma fonte de tensão.
10. 10. Circuito oscilador de cristal equilibrado de acordo com qualquer das Reivindicações de 1 a 8, caracterizado por pelo menos um dos transístores estar/estarem providos com corrente de polarização por meio de uma fonte de corrente activa (403, 401, 402).
11. 11. Circuito oscilador de cristal equilibrado de acordo com qualquer das Reivindicações de 4 a 10, caracterizado por os transístores serem operados na classe C.
12. 12. Circuito oscilador de cristal equilibrado de acordo com as Reivindicações 1 - 3, caracterizado por os transístores serem do tipo Metal Óxido Semicondutor, MOS. 5 ΡΕ1396930
13. 13. Circuito oscilador de cristal equilibrado de acordo com a Reivindicação 12, caracterizado por a primeira, segunda, e terceiras das ditas interconexões consistirem de um par de terminais do tipo dreno, terminais do tipo porta, e terminais do tipo fonte, respectivamente; configurando dessa forma o circuito oscilador equilibrado com um acoplamento dual de transístores em dreno comum.
14. 14. Circuito oscilador de cristal equilibrado de acordo com a Reivindicação 12, caracterizado por a primeira, segunda, e terceiras das ditas interconexões consistirem de um par de terminais do tipo porta, terminais do tipo dreno, e terminais do tipo fonte, respectivamente; configurando dessa forma o circuito oscilador equilibrado com um acoplamento dual de transístores em porta comum.
15. 15. Circuito oscilador de cristal equilibrado de acordo com a Reivindicação 13 ou 14, caracterizado por o primeiro elemento ressoador ser constituído por um elemento piezoeléctrico e o segundo ressoador ser constituído por um condensador.
16. 16. Oscilador de cristal equilibrado de acordo com a Reivindicação 2, caracterizado por um segundo terminal do condensador (Cf, 312) estar ligado a uma base do transístor (303) do segundo sub-circuito oscilador.
17. 17. Oscilador de cristal equilibrado de acordo com a Reivindicação 2, caracterizado por o circuito oscilador ser configurado com um segundo circuito RC (Rf, 6 ΡΕ1396930 Cf) formando um pólo de circuito fechado de ganho na gama de frequência acima de uma frequência de oscilação primária do sinal de saída oscilante, em que a resistência (Rf) do segundo circuito RC (Rf, Cf) está ligada entre uma base do transístor (303) do segundo sub-circuito oscilador e a segunda interconexão e em que o elemento capacitivo do circuito RC (Rf, Cf) inclui uma capacitância de entrada do transístor (303) do segundo sub-circuito oscilador e em que o elemento capacitivo do segundo circuito RC (Rf, Cf) inclui adicionalmente um condensador (Cf, 309) , e em que um terminal do condensador (Cf, 309) está ligado à dita base do transístor (303) do segundo sub-circuito oscilador e em que um segundo terminal do condensador (Cf, 309) do segundo sub-circuito oscilador está ligado ao segundo terminal do condensador (Cf, 312) do primeiro sub-circuito oscilador por via de uma massa comum (gnd).
18. 18. Circuito integrado (502) incluindo um circuito que, em combinação com os elementos ressoadores, constitui o oscilador como evidenciado em qualquer das Reivindicações de 1 a 17/ o dito circuito integrado inclui terminais para a interconexão eléctrica com os elementos ressoadores.
19. 19. Circuito integrado incluindo um circuito, que em combinação com um elemento piezoeléctrico constitui 0 oscilador como evidenciado em qualquer das Reivindicações 1 a 18; o dito circuito integrado inclui terminais para a interconexão eléctrica com o elemento piezoeléctrico. 7 ΡΕ1396930 como
20. 20. Telefone móvel incluindo o oscilador evidenciado em qualquer das Reivindicações 1 a 18. Lisboa, 10 de Novembro de 2011