TWI313962B - Method and apparatus for a crystal oscillator to achieve fast start-up time, low power and frequency calibration - Google Patents

Description

1313962 九、 發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明與石英振盡器(crystal osciiiator)之應用相關，並且 別關於如何在校正一石英振盪器之頻率時縮短該石英振之、合 動時間(start-up time)並減少功率損耗。 、 ° 【先前技術】 石奂振盈器疋一種應用廣泛的電子元件，尤其常被用來 ，同步系統(例如電腦或通訊設備)產生時脈信號。—般的石英 ^並不便宜，振率高者價格尤甚。在評估—個石英振重器 ，準確度時’通常是以百萬分之一(parts per m诎〇n，p 來計算該石魏《之振盪解與—理想解的差異 m 大’表不該石英振盪If的準確度愈差；相對來說，它的價格也^ 此可知，若要將較便宜的石英缝器細在要求高效能的 糸統:，就需要額外的微調校正，才有可能達_系統要求的低 ppm 值。 二匕!!：，振盪器被啟動之後與可以開始穩定地提供-目 time) 子糸統會選擇性地進人省電模式或休眠狀態；在 目!1長的啟動時間不允許石英振盪器被經常性地關 而易見地’如果有愈多電路處於非運作狀態中，就 愈啗電。 口此有。午夕的使用者需要符合下列條件的石英振盪突：價 格，^啟動日摘短、鮮校轉確，以及能賴於進入休 眠狀態的系統。 【發明内容】 5 1313962 根據本發明之—較佳具體實施例為一頻率產生電路汾叫 =r^ion c_t) °該頻率產生電路包含一控制模組與一輛合至該 ，制3的振5器。該振盪器包含-放大器(amplifier)、-第一電 =一仏第二電谷以及—石英共振器(crystairesonator)。該放大器具 .^ 輪出端並且該放大器之一驅動能力(drivability)可 六以工」杈組進行程式化修改(Pr〇grammably_altering)。該第一電 第—端點細合至該放大11之輸人端，並·1該第一電容之 由該控制模組進行程式化修改。該第二電容之一第一端 之矜入Ιίΐΐί器之輸出端。該石英共振器係搞合至該放大器 號：/、輸出端，並且係用以產生具有一期望頻率之一輸出信 可域中所制的石英共振11係具有—較低之準確度， 的啟動ίί。，此外’本發财可有效賴該頻率產生電路所需要 到進點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得 【實施方式】 之頻圖具體實施例 合至該控麵組12的振盪哭14。糾^ 3 ' 與一轉 批14控制桓組12包含一供應雷壓政 ^ ^ 20 ' 與輸出端。放大器22的輸入端亦22的輸入端 振器2n 石英共 勺另、則為接地。放大器22之 6 1313962 驅動能力為可程式化修改的(programmably-alterable)，並且係用以 產生輸出信號32。第一電容26之一第一端點係同時耦合至放大 器22的輪入端與石英共振器24的一端；第一電容26的另一端 則為接地。 頻率產生電路10利用石莘共振器24所產生的輸出信號32 可作為其他電路(例如同步系統)的時脈信號。由於輸出信號32有 可能被用來作為其他信號的取樣標準及/或產生別的信號，因此， 輸出信號32的頻率準確度十分重要。振盪器14的啟動時間會對 其他利用輸出信號32的電路造成影響，因此也相當重要:此 外’頻率產生電路1〇可實現低功率消耗的目標。 於圖一之實施例中，放大器22係一反相放大器(inverti amphfier)或一產生一百八十度相位移之相移放大器(ρΜ%也浪 ^iplifier) °帛—電容26係-可變電容或—可程式化電容；第一 ί容的電容值為可調的’第二電容28的電容值則是固定的。 電容28 —般被稱為負載電容(bad eapadtor)， 化。雜係由振盪侧1118所㈣，藉此可校正輸出信 ^貞測器18係偵測放大器22輪人端的振盪情況，並曰麻 = 械應的㈣錢鼠鎌^ Η Ϊ: 一方面，放大写J代表第一電容26之電容值；另 比值(⑽)愈高響振Mil 14的啟動時間。 盈為14的啟動時間也愈短。由於利用石英振藍 1313962 ，可提升系統的表現，無論是在該系統剛開始啟動時或由休眠狀 態恢復運作時’如何縮短振盪器的啟動時間都相當重要。 ^舉例而言，應用於一可攜式電子裝置(例如行動電話）中的石 英振盪器係週期性地處於休眠狀態。在該電子裝置有一段時間未 運作後，該電子裝置即進入休眠狀態，只有微量的電能被提供給 該電子裝置中的各種元件，由石英振盪器所產生的時脈信號也不 會被使用。一旦偵測到該電子裝置開始被使用，該電子裝置就必 須盡快恢復為運作狀態。這就是一個需要快速啟動振盪器的例 子，類似的情況不勝枚舉。 在圖-所示的實施射，供應電壓監控器16 _以偵測振 盪斋14的供應電壓。一旦供應電壓監控器16偵測到振盪器 被啟動，該比例(C2/C1)係首先被設定為一較高的值，以縮^振盪 态Μ的啟動時間。為了縮短啟動時間，第一電容26之電容值 (ci)係^先被設定為一較低的值，並且放大器22係首先被設定 具有較高的電流(較高的驅龍力）。侧到驢情料變化時， 振盪偵測器18即透過控制信號3〇漸次增加第一電容％之電六 設的校正值；該校正值係對應於輸出信號32應具ί ==ί ”另—方面’振盪偵測器18亦透過控制信號30漸次 ^放大◎ 22的電流；藉此，即可降低頻率產生電路iq的功率 損耗並提昇㈣品質。根據本發明，使用者可採用較便宜 精準(例如’ 20Ppm)的石英共振器24。再者，由於第一電容 電容值為可程式化的’解_確度可被校正至低於 初步校正該系統的過程中，經過校正後的第—電容％ =電容;^ ft被儲存在振盈ί測器18中。以-負載電容為15PF的石英 振，為例’第—二電容28之電容值C2可被蚊在柳f ,第二 電容26之電容值則被設計為可在3pF 、 24pF，以及30pF之間變動。 p p 為了說明本發明與先魏術的差異，在此亦鱗幾個比較數 1313962 為_毫秒。此外回值It據本毛明之貫施例的啟動時間則大約 能提專==通常需要L5毫秒左右的時間才 已經過實驗證明/中根據本發明之實施例 通的’根據本發明，使用者可採用較便宜、品質較並 由於本發明之到理，的系統表現。相較於先前技術？ 入休眠絲，働常性地進 路縣發明^二紐具體實關之解產生電 容44的電路4〇與前一個實施例的差異之處在於第—電 值’第二電容46之電雜為可織的。i 缺二' 42的啟動時間依舊由該比例(C2/C1)決定。、 Ϊ被㈣46之電容值係首先被設定為—較高的值，之後 再被降低’以達到期望的頻率值。另-方面，放大器22之』 倉b力的調整方式與前一個實施例相同。 ，三係繪示圖—之頻率產生電路1Q的運作流程圖。在步驟 電六值’ ΪΓι模組12係將第—電容26㈣容值設定為—較低的 ，舉而言’ 3pf ;控制模組12亦將放大器22設定為具 乂2的驅動電流。接著’在步驟S54中，振蘯侧器1S偵測 大态22的輸入端之振盪情形，判斷振盪器14的振盪情形是否 有改變。如果放大H 22的輸人端之振盪信號已增加至―預定的 大小，則執行步驟S56，令控制模組12增加第一電容26的電容 ，至一向於步驟S50中所設定的電容值。如果步驟S54判斷放大 為22的輸入端之振盪信號並未增加至該預定的大小，則重複執 行步驟S54直到振盪信號增加至該預定的大小。 在完成步驟S56後，步驟S57係與步驟S54相似，也是由振 盪偵測器18偵測放大器22的輸入端之振盪情形，判斷振盪器14 1313962 的振盪情形是否有改變。如果於牛 入端之振盪信號並未增加至节預^ 判斷放大器22的輸 直到滅信號增加至該曰預定的大小’則重複執行步驟S57 接著’步驟S58係判斷第—雷突％ + — 預定之電雜m定之f容值係由輸心達到一 S60，反之，則預定之電容值，職行步驟 二二為具有較低的驅動電流，藉此減少功率損耗並= 路70圖根據本發明之第三較佳具體實施例之頻率產生電 電路70與前兩個實施例的差異之處在於第4 谷74與第一電容76皆為可程式化的。 斤电 私明具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本 i私明夕二神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對 ί : ^_加以限制。相反地，其目岐希望能涵蓋各種改變 ，、相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇内。 10 Λ Λ1313962 【圖式簡單說明】 圖一係繪示根據本發明之第一較佳具體實施例之頻率產生電 路10。 圖二係繪示根據本發明之第二較佳具體實施例之頻率產生電 路40。 圖三係繪示圖一之頻率產生電路10的運作流程圖。 圖四係繪示根據本發明之第三較佳具體實施例之頻率產生電 路70。 【主要元件符號說明】 10 :頻率產生電路 12 :控制模組 14 :振盪器 16 :供應電壓監控器 18 :振盪偵測器 20 :回授電阻 22 :放大器 24 :石英共振器 26 :第一電容 28 :第二電容 30 :控制信號 32 :輸出信號 40 :頻率產生電路 42 :振盪器 44 :第一電容 46 :第二電容 S50〜S60 :步驟流程 70 :頻率產生電路 72 :振盪器 11 1313962 二電容 . 74 :第一電容 76 :

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Claims (1)

1313962 UL If正本 、申請專利範圍i —種頻率產生電路(frequency generati〇n circuit)，包含： 一控制模組；以及 —振盪器(oscillator)，該振盪器係耦合至該控制模組並且具有 一啟動時間(start-up time)，該啟動時間為該振盪器達^一 期望頻率所需要的時間，該振盪器包含： 一放大器(amplifier)，該放大器具有一輸入端與—輸出端並 且该放大态之一驅動能力（drivability)可由該控制模組進行 程式化修改(programmably-altering); 一第一電容，該第一電容之一第一端點係耦合至該放大哭 之該輸入端，並且該第一電容之電容值可由該控制模組^ 行程式化修改； ''' 一第一電谷，該第二電容之一第一端點係耦合至該放大器 之該輪出端；以及 °° 了石英共振器(crystal resonator)，該石英共振器係耦合至該 第一電容之該第一端點及該第二電容之該第一端點，並且 係用以產生具有該期望頻率之一輸出信號； ^中該石英共振H之鮮係具有—預定準確度，以驗該啟動時 2. ^申请專利範H第1項所述之頻核生電路，其巾該控制模組係 於頻率校正並且進一步包含一供應電壓監控器咖骑犯卯以 gomtor)，該供應電壓監控料H測該振1 ϋ之-供應電 範圍第2項所述之頻率產生電路，其中該控制模組進 人振盪偵測器(oscillation detector)，該振盪偵測器係耦 壓監控11、該第—電容以及該放大器，該振盪偵 值了’、用以控制該放大器之該驅動能力和該第一電容之電容 專利範圍第1項所述之頻率產生電路，其中該啟動時間係 μ弟—電容之電容值(C2)與該第一電容之電容值(C1)的比值 13 4. 1313962 (C2/C1)決定。_ 5、 如申請專利範圍第4項所述之頻率產生電路，豆中第一+ — |容=先被設定為-第-設定值’之後藉由^二】玆 6、 可縮短該啟動時間，其中該第二設定值大於該第一設定值。稭 如申請專利範圍第1項所述之頻率產生電路，其^又一俨带 (feedback resistor)係耦合至該放大器。 又电 7、 =申請專種圍第丨顯述之辨產生電路，其巾财 率之戎輸出信號係由該放大器之該輸出端所輪出。 ' 8、二種具有-啟動時間(start_up time)之振|器(。_ :間為該㈣器達到-期望頻率所需要的時間，該缝器^ - =放大器具有—輸人端與—輸出端並且 该放大益之一驅動能力（drivability)為可程式化修改 (programmably-alterable)； -=-電容，該第-電容之—第—端點絲合至該放大写之 第之電容值為可程式化修改的； 電容之-第-端點係柄合至該放大器之 石蝴合至該第 爾以吝斗目亡#如沙r弟—電谷之該第一端點，並且係 用以產生具有销望頻率之—輪出信號。 9、 如申請專利範圍第8項所述之振盪 :電容之電容職該第-電容之電容二ί 10、 如申請專利範圍第9項所述之振盪 首先被設定為-第-設定值，M 弟“之電合值 該第-設定值調整為-第二η 该第:電容之電容值由 其中該第二設定值大於該第」^值猎此可縮短該啟動時間， n' ______之^器，射—回授電障龜冰 14 1313962 resistor)係耦合至該放大器。 12、一種利用一振盪器(osciUator)產生具有一期望頻率之—輸出信號 的方法’该振盡器包含一放大器(amplifier)、一第—電容、—第 二電容以及一石英共振器(CIyStal res〇nat〇r)，該第—電容之—第 一端點係耦合至該放大器，該方法包含下列步驟： 將5亥第一電谷之電容值設定為一第一設定值以縮短該振盪器 之一啟動時間，該啟動時間為該振盪器達到該期望頻率^ 需要的時間； ' 〇又疋該放大益之一驅動能力（drivability)為一第一能力值，以 縮短該啟動時間； 偵測該振盪器之振盪狀況； 根據該振运器之震盡狀況設定該第一電容之電容值為一第一 設定值以達到一較高的頻率精確度，其中該第二設定值 於該第一設定值；以及 Π 13、 將該放大為之§亥驅動能力由該第一能力值調整為—第二能力 值以長1南5玄振盈器之輸出信號的品質並減少該振盛界的 功率消耗，其中該第二能力值係小於該第—能力值。w、 種頻率產生電路(frequency generation circuit)，包含： 一控制模組；以及 一振盪器裝置(oscillator means),該振盪器裝置係耦合至該押 制模組並且具有一啟動時間(start_up time)，該啟動時 該振盪器裝置達到一期望頻率所需要的時間，該振盪器裴 置包含： 、 一放大器(amplifier)，該放大器具有一輸入端與—輸出端並 該放大态之一驅動能力（drivability)可由該控制模組進行程 式化修改(programmably-altering); 一第一電容，該第一電容之一第一端點係耦合至該放大哭 之輸入端，並且該第-電容之電容值可由該控 二 程式化修改； 』保、'且退订 -第二電容，該第二電容之—第—端點錢合至該放大器 15 1313962 之輪出端；以及 14、 斤石英共振盗(CIystal郎如站⑻，該石英共振器係輕合至該 第一電容之該第一端點及該第二電容之該第一端點，並且 』係用以產生具有該期望頻率之一輸出信號。 15、 專她㈣13項所述之鮮產生電路，其中該控制模組 _ 乂匕含供應電壓監控器(power supply monitor)，該供庫電 壓監控器係用以侧該振盪器裝置之-Γ應電壓。 乾圍第14項所述之頻率產生電路，其中該控制模組 v匕έ 一振盪偵測器(oscillation detector)，該振盪偵測器儀 應電壓監控器、該第-電容以及該放大器，、該振盤 <貞__器裝置之振錄況並且控制該放大ί 之5亥驅動能力和該第一電容之電容值。 。 16' 之電容值(C2)與鮮—電容之電容值㈢的比值 Π、如中請專概圍第16項所述之辭產 之電容值首先被設定為-第一設定值=^中5亥第一電谷 該第-電容之電容值由該第一設定值調⑵該 應18、*申請專利範動圍g項所^了產疋生值電大一設定值。' 鲁 （feedback resistor)係耦合至該放大器。 ，、中回授電阻 19、如申請專利範圍第13項所述之頻率產生 頻率之該輸―系由該放大器之該輪出端所輪^中具有該期望 16