TW201711374A - 具有適應性自啟動之極低功率晶體振盪器 - Google Patents

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Abstract

一種晶體振盪器以一高功率模式啟動達一特定時間週期以確保利用平均等級晶體啟動振盪，然後一旦該特定時間週期結束，該振盪器便切換至一低功率模式中且利用由振盪器輸出頻率觸發且與該振盪器輸出頻率同步之能量脈衝維持振盪。可於時脈輸出波形之正邊緣、負邊緣或正邊緣及負邊緣兩者上產生此等能量脈衝。

Description

具有適應性自啟動之極低功率晶體振盪器 相關專利申請案
本申請案主張於2015年6月18日提出申請之共同擁有之美國臨時專利申請案第62/181,554號之優先權，該美國臨時專利申請案據此出於所有目的以引用之方式併入本文中。
本發明係關於晶體振盪器，且特定而言係關於一種具有適應性自啟動之極低功率晶體振盪器。
為確保一睡眠模式中之低功率消耗，可將一微控制器切換至藉由一內部或外部振盪器提供之一極低頻率系統時脈。一習用32KHz振盪器消耗約一微安培且用於一工業標準深度睡眠模式中之一整個系統之功率預算係一(1)微安培。為滿足此工業標準深度睡眠要求，振盪器必須消耗少於150奈安培(包含偏壓產生)，且仍能夠支援一寬廣範圍之晶體。在具有基於溫度之晶體品質之此一寬廣變化(RESR自約30千歐姆至約90千歐姆)之情況下，在此等低電流值下一晶體振盪器將不啟動或無法維持振盪。較低功率晶體振盪器(大約200奈安培)將僅與極低ESR晶體一起工作，該等極低ESR晶體係昂貴的且不容易獲得的。
因此，需要一種晶體振盪器，該晶體振盪器將利用一寬廣範圍之晶體啟動及工作，該等晶體大部分在極低功率消耗下工作且在該極低功率消耗下維持振盪。
根據一實施例，一種經組態以與一外部晶體耦合之整合式振盪器可包括：一振盪器，其經組態以使一晶體控制其一振盪頻率；一控制電路，其經組態而以一第一模式及一第二模式操作，其中在該振盪器啟動時，該控制電路以該第一模式操作且組態該振盪器以在一第一功率消耗下操作，其中在該振盪器振盪一特定時間週期之後，該控制電路切換至該第二模式；其中當處於該第二模式中時，該控制電路組態該振盪器以在可少於該第一功率消耗之一第二功率消耗下操作；且在以該第二功率消耗操作期間，可藉由在來自該振盪器之一輸出信號之上升及/或下降邊緣處將脈衝注入至該振盪器中而維持振盪。
根據另一實施例，一計數器可藉由計數來自該振盪器之該輸出信號之循環之一數目而判定該特定時間週期。根據另一實施例，一脈衝產生器可藉由該計數器啟用且該輸出信號之每一循環產生至少一個脈衝。根據另一實施例，該脈衝產生器可產生具有自約五(5)奈秒至約500奈秒之脈衝寬度之脈衝。根據另一實施例，該脈衝產生器可產生具有約100奈秒之脈衝寬度之脈衝。根據另一實施例，該脈衝產生器可產生具有約5奈秒之脈衝寬度之脈衝。根據另一實施例，該第二功率消耗可少於該第一功率消耗。根據另一實施例，該第二功率消耗可係約該第一功率消耗之10%。
根據另一實施例，一微控制器可包括該整合式振盪器。
根據另一實施例，該振盪器可包括一反相器。根據另一實施例，該振盪器可包括一跨導器。
根據另一實施例，該振盪器可包括：一電流源，其耦合至一供應電壓；一第一電阻器，其耦合至一偏壓電壓；一第一電容器，其耦 合至該第一電阻器；一第二電阻器，其耦合至該第一電容器；一第一電晶體，其耦合至該電流源、該第一電容器以及該第一電阻器及該第二電阻器；一第二電容器，其耦合至該第一電容器及該第二電阻器；一第三電容器，其耦合至該第二電阻器及該第一電晶體；一第二電晶體，其耦合至該第一電容器、該第二電容器及該第三電容器、該第二電阻器以及該第一電晶體；及該外部晶體，其耦合至該第一電晶體及該第二電晶體、該第一電容器、該第二電容器及該第三電容器以及該第二電阻器。
根據另一實施例，該第一功率消耗可包括自約500奈安培至約一(1)微安培之一電流。根據另一實施例，該第二功率消耗可包括自約25奈安培至約100奈安培之一電流。根據另一實施例，可將該等脈衝自來自該振盪器之該輸出信號之該等上升及/或下降邊緣延遲達約一半循環。
根據又一實施例，一種用於啟動及運行經組態以與一外部晶體耦合之一整合式振盪器之方法可包括以下步驟：利用一晶體控制一振盪器之一頻率；以一第一模式啟動該振盪器之操作，其中該振盪器在一第一功率消耗下操作；在該振盪器振盪一特定時間週期之後，以一第二模式操作該振盪器，其中該振盪器在一第二功率消耗下操作且該第二功率消耗可少於該第一功率消耗；及在來自該振盪器之一輸出信號之上升及/或下降邊緣處將脈衝注入至該振盪器中以維持該振盪器在該第二功率消耗下之操作。
根據另一實施例，該方法可包括以下步驟：將該等脈衝自來自該振盪器之該輸出信號之該等上升及/或下降邊緣延遲達約一半循環。
100‧‧‧晶體振盪器電路
100a‧‧‧振盪器
100b‧‧‧振盪器
102‧‧‧電流源
104‧‧‧第一電阻器
106‧‧‧P通道金屬氧化物半導體場效應電晶體/金屬氧化物半導體場效應電晶體
108‧‧‧第一電容器
110‧‧‧第二電阻器/電阻器
112‧‧‧晶體頻率判定元件/外部晶體
114‧‧‧第二電容器/電容器
116‧‧‧第三電容器/電容器
118‧‧‧N通道金屬氧化物半導體場效應電晶體
220‧‧‧電阻器
222‧‧‧反相器
224‧‧‧反相器
226‧‧‧輸出
320‧‧‧電阻器
322‧‧‧跨導器
324‧‧‧反相器
326‧‧‧輸出
400‧‧‧極低功率晶體振盪器/時脈振盪器/較快時脈振盪器
424‧‧‧高功率及低功率可控制Gm裝置/Gm裝置
426‧‧‧反相器
428‧‧‧可控制開關/開關
430‧‧‧正半循環邊緣延遲電路/半循環延遲
432‧‧‧第一脈衝產生器/脈衝產生器
434‧‧‧反相器
436‧‧‧計數器/控制器
438‧‧‧第二脈衝產生器/脈衝產生器
440‧‧‧負半循環邊緣延遲電路/半循環延遲
442‧‧‧可控制開關/開關
444‧‧‧高/低電流控制件/電流控制件
446‧‧‧可控制開關/開關
448‧‧‧可控制開關/開關
602‧‧‧微控制器
604‧‧‧數位處理器與記憶體/數位處理器
606‧‧‧周邊模組/周邊裝置
608‧‧‧輸入/輸出
Vbias+‧‧‧供應電壓
Vbias-‧‧‧供應共同部
Vdd‧‧‧供應電壓
結合隨附圖式參考以下說明可獲取對本發明之一較完整理解， 其中：圖1圖解說明一晶體振盪器電路之一示意圖；圖2圖解說明圖1中所展示之振盪器之一反相器實施方案之一示意圖；圖3圖解說明圖1中所展示之振盪器之一跨導器實施方案之一示意圖；圖4圖解說明根據本發明之一特定實例性實施例之具有適應性自啟動之一極低功率晶體振盪器之一示意性方塊圖；圖5圖解說明根據本發明之教示之振盪器輸入及輸出波形之示意性曲線圖；且圖6圖解說明根據本發明之教示之包括圖4中所展示之晶體振盪器電路之一微控制器之一示意性方塊圖。
雖然本發明易於作出各種修改及替代形式，但在圖式中展示並在本文中詳細闡述其特定實例性實施例。然而應理解，本文對特定實例性實施例之說明並非意欲將本發明限制於本文所揭示之特定形式。
根據本發明之各種實施例，可提供一種適應性自啟動晶體振盪器以確保在使用極低功率(例如，100奈安培)時振盪。一振盪器在100奈安培下運行時不趨向於利用一寬廣範圍之晶體啟動。可存在將在此一低功率振盪器中工作之幾種晶體(極低RESR)，但極少之該等晶體係可獲得的且係極昂貴的。為避免前述問題，一經改良振盪器電路可在約一(1)微安培下啟動且一旦獲得振盪便可將操作電流降低至(舉例而言但不限於)約100奈安培。然而，一振盪器使用易於獲得之晶體無法在100奈安培下維持其振盪。用於提供低功率晶體振盪器之一習用方法需要使用特別高品質且昂貴之晶體，此乃因若在計時器期滿之前振盪未啟動，則振盪器將永不啟動。
根據本發明之各種實施例，可藉由以下操作而維持一低功率晶體振盪器中之振盪：藉由提供由振盪器電路自身之時脈輸出控制之脈衝而將額外能量注入至該振盪器電路中。此晶體振盪器可在切換至低電流操作之前在一較高電流下啟動。然後在特定數目個輸出循環之後，利用注入至振盪器電路中之與振盪器輸出同步之能量脈衝切換至較低功率操作。藉由使用自晶體振盪器輸出運行之一計時器(例如，1024計數器)，功率節省電路在其將振盪器切換至一低電流模式(例如，約100奈安培)之前將等待晶體振盪器充分維持其振盪。
現在參考圖式，示意性地圖解說明實例性實施例之細節。圖式中，將由相同編號表示相同元件，且將由帶有一不同小寫字母後綴之相同編號表示類似元件。
參考圖1，其繪示一晶體振盪器電路之一示意圖。此晶體振盪器電路(通常由數字100指代)可包括一電流源102、一第一電阻器104、一P通道金屬氧化物半導體(PMOS)場效應電晶體(FET)106、一第一電容器108、一第二電阻器110、一晶體頻率判定元件112、一第二電容器114、一第三電容器116及一NMOS FET 118(其與PMOS FET 106以一圖騰柱(totem pole)電路組態而組態)。晶體振盪器電路100取決於電路雜訊能量來啟動其振盪，且花費最長時間來達到全操作振盪輸出。在32KHz下振盪之一晶體振盪器電路100可花費多達三秒至四秒來啟動，且一32MHz振盪器可花費約5毫秒至20毫秒以用於啟動。
此係一標準晶體振盪器電路設計，且熟習電子電路設計且受益於本發明之技術者可容易地想出同樣良好地工作的其他晶體振盪器電路設計。所有此等其他晶體振盪器電路適用於本發明且涵蓋於本文中。
參考圖2，其繪示圖1中所展示之振盪器之一反相器實施方案之一示意圖。振盪器100a中所展示之主振盪主動裝置係一反相器222， 其後續接著用作具有一輸出226之一緩衝放大器之另一反相器224。
參考圖3，其繪示圖1中所展示之振盪器之一跨導器實施方案之一示意圖。振盪器100b中所展示之主振盪主動裝置係一跨導器322，其後續接著用作具有一輸出326之一緩衝放大器之一反相器324。
對於如圖2及圖3中所展示之一極低功率振盪器之一挑戰係基於溫度範圍之晶體品質之一寬廣變化存在。一典型晶體之RESR範圍可係自約30千歐姆至約90千歐姆。
參考圖4，其繪示根據本發明之一特定實例性實施例之具有適應性自啟動之一極低功率晶體振盪器之一示意性方塊圖。具有適應性自啟動之一極低功率晶體振盪器(通常由數字400表示)可包括：一高功率及低功率可控制Gm裝置424、一反相器426、分別耦合於一供應電壓Vdd(Vbias+)與Gm裝置424之一輸出之間及一供應共同部Vss(Vbias-)與Gm裝置424之一輸出之間的可控制開關442及428；一正半循環邊緣延遲電路430、於一正向時脈邊緣上起動之一第一脈衝產生器432、一反相器434、一計數器/控制器436、於一負向時脈邊緣上起動之一第二脈衝產生器438、一負半循環邊緣延遲電路440、用於Gm裝置424之一高/低電流控制件444以及分別耦合於供應電壓Vdd(Vbias+)與供應共同部Vss(Vbias-)之間的可控制開關448及446。第一脈衝產生器432及第二脈衝產生器438可係具有用於控制正脈衝、負脈衝或正脈衝及負脈衝兩者之可組態脈衝輸出之單個脈衝產生器。
以一高功率模式運行之Gm裝置424可用於支援具有一寬廣範圍之RESR(例如，自約30千歐姆至約90千歐姆)之晶體。以一高功率模式運行之Gm裝置424之功率消耗可係(舉例而言但不限於)大約500奈安培(典型)及約一(1)微安培(最大值)，該功率消耗對於深度睡眠黏性裝置而言係過高的。因此，藉由在處於一高功率模式中時啟動晶體振盪且保持處於此高功率模式中達特定數目(例如，4096/8192)個振盪循環計 數，將確保啟動振盪。一旦維持振盪，便開始為振盪器電路產生能量脈衝，例如與晶體振盪器輸出頻率同步之100奈秒寬之脈衝。然後切換至一低功率模式，其中Gm裝置424使用較低電流，例如約為在處於高功率模式中時所使用之電流之百分之十(10%)。
此可利用用於控制處於一高功率模式或低功率模式中之Gm裝置424之一高/低電流控制件444而實現，其中電流控制件444進一步受控於計數由振盪器輸出(反相器426之輸出)產生之循環之數目之一計數器/控制器436。其中計數器/控制器436確保晶體振盪器以高功率模式運行足夠長時間以確保充分啟動振盪。然後，一旦已歷時足以確保充分啟動振盪之時間，計數器/控制器436便指示高/低電流控制件444將Gm裝置424切換至低功率模式，且啟用脈衝產生器432及438中之任一者或兩者。
脈衝產生器432及438可產生與振盪器輸出(反相器434之輸出)之頻率同步之脈衝，使得可將最大值傳送至晶體頻率頻寬內之振盪器電路。脈衝寬度亦可係自約五(5)奈秒至約500奈秒。如由脈衝產生器432及/或438產生的至晶體振盪器之能量脈衝可藉由使用以下三個選項中之任一者而提供：
(1)藉由閉合開關442而產生之正脈衝，此在來自反相器434之振盪器輸出之一上升邊緣上將Vbias+脈衝施加至Gm裝置424，且視情況後續接著一半循環延遲430以將開關428閉合至Vbias-。
(2)藉由閉合開關448而產生之負脈衝，此在來自反相器434之振盪器輸出之一下降邊緣上將Vbias+脈衝施加至Gm裝置424，且視情況後續接著一半循環延遲440以將開關446閉合至Vbias-。
(3)分別在上升及下降時脈邊緣處至Vbias+及Vbias-之正脈衝及負脈衝兩者(如由開關428、442、446及448所提供)。
參考圖5，其繪示根據本發明之教示之振盪器輸入及輸出波形之 示意性曲線圖。將來自開關448之正脈衝展示為在上升時脈振盪器波形上，且將來自開關446之負脈衝展示為在下降時脈振盪器波形上。
參考圖6，其繪示根據本發明之教示之包括圖4中所展示之晶體振盪器電路之一微控制器之一示意性方塊圖。一微控制器602可包括一數位處理器與記憶體604、周邊模組606、輸入/輸出608及一時脈振盪器400。時脈振盪器400可耦合至外部晶體112及相關聯外部組件(例如，電阻器110、220及320；以及電容器114及116)。數位處理器與記憶體604(核心)及周邊裝置606可耦合至不同時脈信號，例如，數位處理器604耦合至一較快時脈振盪器400且周邊裝置606耦合至一較慢時脈振盪器。輸入/輸出608可耦合至一甚至更慢時脈振盪器。
本文中所揭示之晶體振盪器實施例允許微控制器602較快啟動操作且此後在較低功率下運作。
112‧‧‧晶體頻率判定元件/外部晶體
400‧‧‧極低功率晶體振盪器/時脈振盪器/較快時脈振盪器
424‧‧‧高功率及低功率可控制Gm裝置/Gm裝置
426‧‧‧反相器
428‧‧‧可控制開關/開關
430‧‧‧正半循環邊緣延遲電路/半循環延遲
432‧‧‧第一脈衝產生器/脈衝產生器
434‧‧‧反相器
436‧‧‧計數器/控制器
438‧‧‧第二脈衝產生器/脈衝產生器
440‧‧‧負半循環邊緣延遲電路/半循環延遲
442‧‧‧可控制開關/開關
444‧‧‧高/低電流控制件/電流控制件
446‧‧‧可控制開關/開關
448‧‧‧可控制開關/開關
Vbias+‧‧‧供應電壓
Vbias-‧‧‧供應共同部

Claims (17)

  1. 一種經組態以與一外部晶體耦合之整合式振盪器，其包括：一振盪器，其經組態以使一晶體控制其一振盪頻率；一控制電路，其經組態而以一第一模式及一第二模式操作，其中在該振盪器啟動時，該控制電路以該第一模式操作且組態該振盪器以在一第一功率消耗下操作，其中在該振盪器振盪一特定時間週期之後，該控制電路切換至該第二模式；其中當處於該第二模式中時，該控制電路組態該振盪器以在少於該第一功率消耗之一第二功率消耗下操作；且在以該第二功率消耗操作期間，藉由在來自該振盪器之一輸出信號之上升及/或下降邊緣處將脈衝注入至該振盪器中而維持振盪。
  2. 如請求項1之整合式振盪器，其進一步包括用以藉由計數來自該振盪器之該輸出信號之循環之一數目而判定該特定時間週期之一計數器。
  3. 如請求項2之整合式振盪器，其進一步包括藉由該計數器啟用且該輸出信號之每一循環產生至少一個脈衝之一脈衝產生器。
  4. 如請求項3之整合式振盪器，其中該脈衝產生器產生具有自約五(5)奈秒至約500奈秒之脈衝寬度之脈衝。
  5. 如請求項4之整合式振盪器，其中該脈衝產生器產生具有約100奈秒之脈衝寬度之脈衝。
  6. 如請求項4之整合式振盪器，其中該脈衝產生器產生具有約5奈秒之脈衝寬度之脈衝。
  7. 如請求項1之整合式振盪器，其中該第二功率消耗少於該第一功率消耗。
  8. 如請求項7之整合式振盪器，其中該第二功率消耗係約該第一功率消耗之10%。
  9. 如請求項1之整合式振盪器，其中該振盪器包括一反相器。
  10. 如請求項1之整合式振盪器，其中該振盪器包括一跨導器。
  11. 如請求項1之整合式振盪器，其中該振盪器包括：一電流源，其耦合至一供應電壓；一第一電阻器，其耦合至一偏壓電壓；一第一電容器，其耦合至該第一電阻器，一第二電阻器，其耦合至該第一電容器；一第一電晶體，其耦合至該電流源、該第一電容器以及該第一電阻器及該第二電阻器；一第二電容器，其耦合至該第一電容器及該第二電阻器；一第三電容器，其耦合至該第二電阻器及該第一電晶體；一第二電晶體，其耦合至該第一電容器、該第二電容器及該第三電容器、該第二電阻器以及該第一電晶體；及該外部晶體，其耦合至：該第一電晶體及該第二電晶體；該第一電容器、該第二電容器及該第三電容器；以及該第二電阻器。
  12. 如請求項1之整合式振盪器，其中該第一功率消耗包括自約500奈安培至約一(1)微安培之一電流。
  13. 如請求項1之整合式振盪器，其中該第二功率消耗包括自約25奈安培至約100奈安培之一電流。
  14. 如請求項1之整合式振盪器，其中將該等脈衝自來自該振盪器之該輸出信號之該等上升及/或下降邊緣延遲達約一半循環。
  15. 一種微控制器，其包括如請求項1之整合式振盪器。
  16. 一種用於啟動及運行經組態以與一外部晶體耦合之一整合式振 盪器之方法，該方法包括以下步驟：利用一晶體控制一振盪器之一頻率；以一第一模式啟動該振盪器之操作，其中該振盪器在一第一功率消耗下操作；在該振盪器振盪一特定時間週期之後，以一第二模式操作該振盪器，其中該振盪器在一第二功率消耗下操作且該第二功率消耗少於該第一功率消耗；及在來自該振盪器之一輸出信號之上升及/或下降邊緣處將脈衝注入至該振盪器中以維持該振盪器在該第二功率消耗下之操作。
  17. 如請求項16之方法，其進一步包括以下步驟：將該等脈衝自來自該振盪器之該輸出信號之該等上升及/或下降邊緣延遲達約一半循環。
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