TWI431928B - 振盪器及其控制電路 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種振盪器及其控制電路，且特別是有關於一種晶體振盪器及其控制電路。
振盪器廣泛地運用在各種應用領域中，用來提供系統準確且穩定的頻率基準，如時鐘訊號。簡言之，振盪器是一個頻率源，一個不需要外部信號激勵、自身就可以將直流電能轉化為交流電能的電子裝置。訊號起振的過程中，振盪器藉由重複的回授、放大而產生振盪訊號。因此，振盪器的效能取決於其是否能產生準確、穩定的振盪訊號。
一般來說，振盪訊號的頻率是設計振盪器的首要考量。然而，振幅亦是一項影響振盪器效能的重要因素。舉例來說，對於使用回授電阻與反相放大器的振盪器而言，反相放大器的特性不容易控制。於此種振盪器中，會造成振盪訊號的波形可能變得很大或很小，導致振盪訊號無法穩定地受到控制。而且，依據各種振盪器的電路設計的不同，所提供的振盪訊號也會有所差異。
除了反相放大器的特性難以控制之外，振盪器所使用的電流也不容易調控。基於省電的考量，振盪器的電源通常會調得很小。此時，在某些如環境惡劣、雜訊干擾的情況下，振盪器會有無法起振的問題。因此，如何產生準確、穩定的振盪訊號，藉以提高振盪器的效能，乃業界所致力的方向之一。
本發明係有關於一種振盪器及其控制電路，能產生準確、穩定的振盪訊號，增加振盪器的抗雜訊能力，並提高振盪器的效能。
根據本發明之一方面，提出一種振盪器。振盪器用以調整一振盪訊號的振幅與位準。振盪器包括兩端點、一晶體、一回授電阻、一放大器、一峰值偵測器、一中間值偵測器、及一振盪控制器。兩端點各用以耦接至一電容器。晶體、回授電阻、及放大器皆耦接於兩端點之間。峰值偵測器耦接至兩端點之其中一端點，用以偵測振盪訊號之振幅而產生一峰值。中間值偵測器耦接至該端點，用以偵測振盪訊號之直流位準而產生一中間值。振盪控制器用以根據峰值及中間值產生兩電源訊號。兩電源訊號用以提供至放大器以使放大器調整振盪訊號的振幅及直流位準。
根據本發明之另一方面，提出一種控制電路。控制電路適用於一振盪器。控制電路用以調整振盪器之一振盪訊號的振幅與位準。控制電路包括一峰值偵測器、一中間值偵測器、及一振盪控制器。峰值偵測器用以偵測振盪訊號之振幅而產生一峰值。中間值偵測器用以偵測振盪訊號之直流位準而產生一中間值。振盪控制器用以根據峰值及中間值產生兩電源訊號。兩電源訊號用以提供至振盪器以使振盪器調整振盪訊號的振幅及直流位準。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
請參照第1圖，其繪示依據本發明一實施例之控制電路的方塊圖。控制電路100適用於一振盪器(未繪示於第1圖)。控制電路100用以調整振盪器之一振盪訊號S1的振幅與位準。控制電路100包括一峰值偵測器110、一中間值偵測器120、及一振盪控制器130。峰值偵測器110用以偵測振盪訊號S1之振幅而產生一峰值Vpk。中間值偵測器120用以偵測振盪訊號S1之直流位準而產生一中間值Vlpf。振盪控制器130用以根據峰值Vpk及中間值Vlpf產生兩電源訊號Spw1及Spw2。此兩電源訊號Spw1及Spw2用以提供至振盪器以使振盪器調整振盪訊號S1的振幅及直流位準。如此，於起振過程中，振盪訊號S1的振幅與直流位準便能受到穩定的回授控制而能維持在適當範圍內。如此，便能使振盪器產生準確、穩定的振盪訊號，增加振盪器的抗雜訊能力，並提高振盪器的效能。
請參照第2圖，其繪示依據本發明一實施例之振盪器的方塊圖。振盪器200包括兩端點n1及n2、一晶體202、一回授電阻204、一放大器206、一峰值偵測器210、一中間值偵測器220、及一振盪控制器230。振盪器200之此些元件中，晶體202、回授電阻204、及放大器206形成振盪器200之一振盪電路來產生振盪訊號S1；峰值偵測器210、中間值偵測器220、及振盪控制器230則例如與第1圖所示之控制電路100具有相似的架構。
振盪器200的兩端點n1及n2各用以耦接至一電容器，如電容器C1及C2。電容器可為一用來實現振盪器200的晶片所內建或外接者，如虛線所繪示之連接線表示第2圖中的電容器為外接式的電容器。電容器可為單一電容元件、或由多個電容元件所組成之用來調整振盪器200之共振頻率的架構。晶體202耦接於兩端點n1及n2之間，晶體202例如是石英共振器。回授電阻204耦接於兩端點n1及n2之間。放大器206耦接於兩端點n1及n2之間。放大器206所接收的兩電源訊號Spw1與Spw2決定了振盪訊號S1所能擺盪的範圍。
由於晶體202、回授電阻204、及放大器206所形成振盪電路屬於回授的振盪方式，如放大器206的輸出會再饋入晶體202的輸入。因此，為了偵測此振盪訊號S1，峰值偵測器210及中間值偵測器220可耦接至某個能偵測到振盪訊號S1的變化之處，例如是振盪器200的兩端點n1及n2之其中之一。如第2圖所示，峰值偵測器210及中間值偵測器220可耦接至端點n1、或耦接至端點n2(如虛線箭號繪示者)，亦即振盪訊號S1可為放大器206的輸入訊號XIN或輸出訊號XOUT。
峰值偵測器210用以偵測振盪訊號S1之振幅而產生一峰值Vpk。峰值Vpk代表振盪訊號S1的振幅或最大擺幅，其係輸入至振盪控制器230以進行回授控制。舉例來說，若峰值Vpk所代表的訊號擺幅很小，振盪控制器230會控制放大器206提高其增益，使訊號擺幅增大。
中間值偵測器220用以偵測振盪訊號S1之直流位準而產生一中間值Vlpf。中間值偵測器220例如是由低通濾波器所實現。中間值Vlpf配合峰值Vpk可用來判斷振盪訊號S1的上下擺幅是否符合使用需求，不致於過小而易受干擾，或是過大造成波形變形，產生諧波訊號。中間值Vlpf的基準例如可設定為工作電壓之中間值，或其它工作電壓範圍內之電壓參考值。如此，便能讓振盪訊號S1的上下擺幅皆有足夠或適當的振盪空間，使訊號起振過程更加穩定。
振盪控制器230用以根據峰值Vpk及中間值Vlpf產生兩電源訊號Spw1及Spw2。兩電源訊號Spw1及Spw2用以提供至放大器206，以使放大器206調整振盪訊號S1的振幅及直流位準。於一實施例中，電源訊號Spw1及Spw2例如但不受限地是兩電流訊號。茲以第3圖所示之例詳細說明振盪控制器的作動方式。
請參照第3圖，其繪示為第2圖之振盪控制器之一例之示意圖。於此例中，振盪控制器230包括兩電源供應端n3及n4、可變電流源231、比較器232、及比較器233。振盪控制器230偏壓於兩電壓VDD及VSS之間。兩電源供應端n3及n4耦接至放大器206。可變電流源231用以提供一偏壓電流Ia。此偏壓電流Ia的大小隨著峰值Vpk而變化。於此例中，偏壓電流Ia的大小係由比較器233所控制。比較器233耦接至可變電流源231。比較器233用以比較峰值Vpk與一目標值Vtarget，並依據其比較結果產生一控制訊號Vcontrol來控制可變電流源231所提供之偏壓電流Ia的大小。換言之，可變電流源231可實現為一電壓電流轉換器。於此架構下，當振盪訊號S1的峰值Vpk尚未達到目標值Vtarget時，偏壓電流Ia會具有較大的電流值而流入放大器206以提高其增益，以確保振盪訊號S1能正確起振。當振盪訊號S1的峰值Vpk逐漸變大時，偏壓電流Ia的電流值便會逐漸降低。
茲以第4圖為例說明可變電流源231的一種實施方式。請參照第4圖，其繪示為第3圖之可變電流源之一實施例之示意圖。可變電流源231包含了多個金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)M及多個開關SW。每一電晶體與開關的組合提供了一部分的偏壓電流Ia。此些電晶體M的控制端受控於控制訊號Vcontrol。控制訊號Vcontrol的位準愈高，電晶體M導通的電流愈大。此外，開關SW的導通數量受控於選擇訊號Sel，從而決定了偏壓電流Ia的大小。如此，能提高振盪器200的操作彈性。
請繼續參照第3圖。比較器232耦接可變電流源231至振盪控制器230的兩電源供應端n3及n4。比較器232用以比較中間值Vlpf與一參考值Vref。於第3圖所示之例中，比較器包括電流鏡CM1、電流鏡CM2、電晶體T1及電晶體T2。電流鏡CM1耦接至電源供應端n3。電流鏡CM2耦接至電源供應端n4。電流鏡CM1例如是由電晶體T3及T4所形成，而電流鏡CM2例如是由電晶體T5、T6、T7、T8所形成。電晶體T1具有一資料端耦接至電流鏡CM1、另一資料端耦接至可變電流源231、及一控制端耦接以接收參考值Vref。電晶體T2具有一資料端耦接至電流鏡CM2、另一資料端耦接至可變電流源231與電晶體T1之另一資料端、及一控制端耦接以接收中間值Vlpf。
偏壓電流Ia流經比較器232後，會形成與比較器232之比較結果相關的一流出(source)電流Isource及一流入(sink)電流Isink。舉例來說，依據第3圖中的電晶體T1及T2的操作特性，若參考值Vref大於中間值Vlpf，則電晶體T1從偏壓電流Ia所汲取的電流I1會大於電晶體T2所汲取的電流I2。經過電流鏡CM1及CM2後，兩電流I1及I2的大小會反應在流入電流Isink及流出電流Isource上，即流入電流Isink會大於流出電流Isource，而與比較結果符合。此流入電流Isink與流出電流Isource會流經兩電源供應端n3及n4，而供應至放大器206。由於較大的流入電流Isink會使放大器206提高振盪訊號S1的中間位準，故中間值Vlpf亦會對應地提高。如此，參考值Vref與中間值Vlpf的差值會減少而趨於相等。對應地，若參考值Vref小於中間值Vlpf，則電流I1小於電流I2，流入電流Isink小於流出電流Isource，而放大器206降低振盪訊號S1的中間位準，使中間使Vlpf降低。如此，中間值Vlpf會收斂在參考值Vref。
依據上述說明，即使在某些如環境惡劣、雜訊干擾的情況下，本發明實施例的振盪器能夠克服訊號無法起振的問題。舉例來說，於訊號起振過程中，受影響的振盪訊號的峰值會逐漸變小、或逐漸偏離工作範圍而無法起振或失真。然而，藉由峰值偵測器及中間值偵測器的偵測，振盪器能對應地控制放大器的輸入電源，從而調整其增益或工作範圍來改善振盪訊號的起振過程。如此，便能產生準確、穩定的振盪訊號，而提高振盪器的效能。
請參照第5圖，其繪示為第2圖之振盪器於起振過程中偵測振盪訊號所取得之峰值及中間值之一例之時序圖。如第5圖所示，剛開始起振時，代表振盪訊號S1之振幅的峰值Vpk與目標值Vtarget差距很大，且代表振盪訊號S1之直流位準的中間值Vlpf也偏離參考值Vref。當振盪訊號S1未到達目標值Vtarget之前，振盪控制器230會提高供給放大器206的電流。當中間值Vlpf偏離參考值Vref時，振盪控制器230則調整流入電流Isink與流出電流Isource的相對大小。如此，峰值Vpk便能收斂在目標值Vtarget，而中間值Vlpf也收斂在參考值Vref，表示振盪訊號S1能受到穩定地控制而符合所求。
請繼續參照第2圖，振盪器200可更包括一選擇控制器240及一設定單元250。選擇控制器240用來提供能控制可變電流源231大小的選擇訊號Sel。設定單元250則用來儲存振盪訊號S1的各種參數，如與振盪訊號S1振幅相關的目標值Vtarget、或與振盪訊號S1位準相關的參考值Vref。設定單元250例如是由可編程參考電壓產生器所實現，其例如使用了整合於振盪器內的帶隙參考電路。帶隙參考電路通常能從各家廠商取得，而用以從一參考電壓或多個參考電壓中產生所需電壓。然本發明應不限於此，具有通常知識者應能參照上述說明而了解振盪訊號之各種參數的實施態樣。
依據上述說明，即使在某些如環境惡劣、雜訊干擾的情況下，本發明實施例的振盪器能夠克服訊號無法起振的問題。舉例來說，目標值Vtarget與參考值Vref可根據使用環境或耗電考量來決定。如此，放大器的電流能按照振幅調整，因而能確保訊號的起振不受環境或製程變化影響。再者，由於振幅的中心點設定在適當範圍時，故振盪器不易受電源雜訊的干擾，而使振幅範圍儘可能在不失真的情況下擴大。更者，振盪訊號S1可經由振盪器200之一輸出放大器260放大而輸出。此輸出放大器260的兩輸入端耦接至振盪器200的兩端點n1及n2，用以將訊號放大而產生時鐘訊號OSC_OUT輸出。如此，可避免傳統使用史密特(schmitt)觸發器中有信號工作週期變化的問題。
本發明上述實施例所揭露之振盪器及其振盪電路，具有多項優點，以下僅列舉部分優點說明如下：藉由偵測並控制振盪訊號的峰值，使振盪器能確實地起振，不受環境變化影響；訊號起振後，振盪器能自動調整電流，使功耗減小；及藉由偵測並控制振盪訊號的直流位準，使振盪器不易受電源雜訊的干擾，而使振幅範圍可在不失真的情況下擴大。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
110、210．．．峰值偵測器
120、220．．．中間值偵測器
130、230．．．振盪控制器
200．．．振盪器
202．．．晶體
204．．．回授電阻
206．．．放大器
231．．．可變電流源
232、233．．．比較器
240．．．選擇控制器
250．．．設定單元
C1、C2．．．電容器
CM1、CM2．．．電流鏡
Ia．．．偏壓電流
Isink．．．流入電流
Isource．．．流出電流
M．．．金氧半場效電晶體
n1、n2．．．端點
n3、n4．．．電源供應端
S1．．．振盪訊號
Sel．．．選擇訊號
Vcontrol．．．控制訊號
VDD、VSS．．．電壓
Vlpf．．．中間值
Vpk．．．峰值
Vref．．．參考值
Vtarget．．．目標值
Spw1、Spw2．．．電源訊號
SW．．．開關
T1、T2、T3、T4、T5、T6．．．電晶體
XIN．．．輸入訊號
XOUT．．．輸出訊號
第1圖繪示依據本發明一實施例之控制電路的方塊圖。
第2圖繪示依據本發明一實施例之振盪器的方塊圖。
第3圖繪示為第2圖之振盪控制器之一例之示意圖。
第4圖繪示為第3圖之可變電流源之一實施例之示意圖。
第5圖繪示為第2圖之振盪器於起振過程中偵測振盪訊號所取得之峰值及中間值之一例之時序圖
110．．．峰值偵測器
120．．．中間值偵測器
130．．．振盪控制器
S1．．．振盪訊號
Vlpf．．．中間值
Vpk．．．峰值
Spw1、Spw2．．．電源訊號
Claims (12)
- 一種振盪器，用以調整一振盪訊號的振幅與位準，該振盪器包括：兩端點，各用以耦接至一電容器；一晶體，耦接於該兩端點之間；一回授電阻，耦接於該兩端點之間；一放大器，耦接於該兩端點之間；一峰值偵測器，耦接至該兩端點之其中一端點，用以偵測該振盪訊號之振幅而產生一峰值；一中間值偵測器，耦接至該兩端點之該端點，用以偵測該振盪訊號之直流位準而產生一中間值；以及一振盪控制器，用以根據該峰值及該中間值產生兩電源訊號，該兩電源訊號用以提供至該放大器以使該放大器調整該振盪訊號的振幅及直流位準。
- 如申請專利範圍第1項所述之振盪器，其中該振盪控制器包括：兩電源供應端，耦接至該放大器；一可變電流源，用以提供一偏壓電流，該偏壓電流的大小隨著該峰值而變化；以及一第一比較器，耦接該可變電流源至該兩電源供應端，該第一比較器用以比較該中間值與一參考值；其中，該偏壓電流流經該第一比較器而形成與該第一比較器之比較結果相關的一流出(source)電流及一流入(sink)電流流經該兩電源供應端。
- 如申請專利範圍第2項所述之振盪器，其中該振盪控制器更包括：一第二比較器，耦接至該可變電流源，用以比較該峰值與一目標值，並依據其比較結果產生一控制訊號來控制該可變電流源所提供之該偏壓電流的大小。
- 如申請專利範圍第2項所述之振盪器，其中該第一比較器包括：一第一電流鏡，耦接至該兩電源供應端之一；一第二電流鏡，耦接至該兩電源供應端之另一；一第一電晶體，具有一資料端耦接至該第一電流鏡、另一資料端耦接至該可變電流源、及一控制端耦接以接收該參考值；以及一第二電晶體，具有一資料端耦接至該第二電流鏡、另一資料端耦接至該可變電流源與該第一電晶體之該另一資料端、及一控制端耦接以接收該中間值。
- 如申請專利範圍第1項所述之振盪器，其中該中間值偵測器為一低通濾波器。
- 如申請專利範圍第1項所述之振盪器，其中該振盪控制器包括：兩電源供應端，耦接至該放大器；一可變電流源，用以提供一偏壓電流，該偏壓電流的大小隨著該峰值而變化；以及一第二比較器，耦接至該可變電流源，用以比較該峰值與一目標值，並依據其比較結果產生一控制訊號來控制該可變電流源所提供之該偏壓電流的大小。
- 一種控制電路，適用於一振盪器，用以調整該振盪器之一振盪訊號的振幅與位準，該控制電路包括：一峰值偵測器，用以偵測該振盪訊號之振幅而產生一峰值；一中間值偵測器，用以偵測該振盪訊號之直流位準而產生一中間值；以及一振盪控制器，用以根據該峰值及該中間值產生兩電源訊號，該兩電源訊號用以提供至該振盪器以使該振盪器調整該振盪訊號的振幅及直流位準。
- 如申請專利範圍第7項所述之控制電路，其中該振盪控制器包括：兩電源供應端；一可變電流源，用以提供一偏壓電流，該偏壓電流的大小隨著該峰值而變化；以及一第一比較器，耦接該可變電流源至該兩電源供應端，該第一比較器用以比較該中間值與一參考值；其中，該偏壓電流流經該第一比較器而形成與該第一比較器之比較結果相關的一流出(source)電流及一流入(sink)電流流經該兩電源供應端。
- 如申請專利範圍第8項所述之控制電路，其中該振盪控制器更包括：一第二比較器，耦接至該可變電流源，用以比較該峰值與一目標值，並依據其比較結果產生一控制訊號來控制該可變電流源所提供之該偏壓電流的大小。
- 如申請專利範圍第8項所述之控制電路，其中該第一比較器包括：一第一電流鏡，耦接至該兩電源供應端之一；一第二電流鏡，耦接至該兩電源供應端之另一；一第一電晶體，具有一資料端耦接至該第一電流鏡、另一資料端耦接至該可變電流源、及一控制端耦接以接收該參考值；以及一第二電晶體，具有一資料端耦接至該第二電流鏡、另一資料端耦接至該可變電流源與該第一電晶體之該另一資料端、及一控制端耦接以接收該中間值。
- 如申請專利範圍第7項所述之控制電路，其中該中間值偵測器為一低通濾波器。
- 如申請專利範圍第7項所述之控制電路，其中該振盪控制器包括：兩電源供應端；一可變電流源，用以提供一偏壓電流，該偏壓電流的大小隨著該峰值而變化；以及一第二比較器，耦接至該可變電流源，用以比較該峰值與一目標值，並依據其比較結果產生一控制訊號來控制該可變電流源所提供之該偏壓電流的大小。
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