TWI474609B - 振盪裝置與其控制方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種振盪裝置,特別是關於一種具有節能省電功效之振盪裝置。
第1圖係習知振盪器之示意圖。振盪器100包含振盪單元101與晶體模組102。振盪單元101包含有一反向器(Inverter)In與電阻R。晶體模組102包含有一石英晶體,例如壓電石英電晶體(Piezoelectric quartz crystal)Pi與兩電容C1、C2。
於運作時,振盪單元101經由壓電石英電晶體Pi與電容C1、C2配合振盪,以產生振盪頻率訊號Xout。一般而言,為了達成快速起振以產生振盪頻率訊號Xout之效果,振盪器100係接收較大的振盪電流,例如3~6mA或以上之電流。晶體模組102在振盪過程中,會產生寄生電阻之效應,而振盪單元101之反向器In可提供必要的負電阻抵銷寄生電阻,使晶體模組102持續振盪。但是,反向器In持續接收較大電流來運作卻會造成不必要的耗電,浪費能源。
本發明之目的之一在提供一種具有節省能源功效之振盪裝置。
本發明一實施例提供了一種振盪裝置。該振盪裝置包含有一振盪器、一頻率轉電壓電路、以及一電壓轉電流電路。振盪器接收一具有第一電流值之振盪器電流而在一輸出端輸出一振盪頻率訊號。頻率轉電壓電路耦接振盪器,根據振盪頻率訊號決定一調節電壓。而電壓轉電流電路耦接頻率轉電壓電路,根據調節電壓調整振盪器電流。其中,在振盪器起振後,調節電壓根據振盪頻率訊號將振盪器電流調節至第二電流值。
本發明另一實施例提供了一種振盪裝置之控制方法,包含有下列步驟:首先,提供一振盪器電流。接著,根據振盪器電流產生一振盪頻率訊號。根據振盪頻率訊號決定一調節電壓。之後,根據調節電壓調整振盪器電流,使振盪器以省電振盪狀態工作。
本發明之振盪裝置與其控制方法,係在振盪器發生在振盪器起振後降低振盪器電流以降低耗電,但仍維持相同的頻率輸出,而可在不影響振盪裝置之正常功能下,達成節能省電的效果,解決習知技術之問題。
以下參考圖式詳細說明本發明提出之振盪裝置與其控制方法。
第2A圖顯示本發明之振盪裝置一實施例之方塊圖。
振盪裝置200包含有一振盪器100、一頻率轉電壓電路201、及一電壓轉電流電路202。
振盪器100係接收一振盪器電流I而在一輸出端輸出一振盪頻率訊號Xout。其中,本實施例以第1圖所示之振盪器100做說明,但在其他實施例中,振盪器100可以是各種目前現有或未來發展出之振盪器來實施,並不侷限於下列各實施例之振盪器。
頻率轉電壓電路201係耦接振盪器100,偵測振盪器100輸出的振盪頻率訊號Xout並據以決定一調節電壓Vad。
電壓轉電流電路202係耦接頻率轉電壓電路201,根據調節電壓Vad決定提供給振盪器100的振盪器電流I。
須注意者,電壓轉電流電路202提供給振盪器100的振盪器電流I的大小係用來決定振盪器中反向器In的轉導gm的大小,轉導gm可以式1表示
振盪器電流I則以式2表示
由式1及式2可得出
由式3可以看出,振盪器電流1與轉導gm成正比,
本發明技術領域具通常知識者當知式3之推導過程,在此不加以贅述。
在振盪器電路中,當反相器的轉導gm在一振盪範圍內時,振盪器可正常起振並維持一固定的振盪頻率,若轉導gm高於該振盪範圍時,振盪器會逐漸停止振盪;若轉導gm低於該振盪範圍時則無法起振,輸出的振盪頻率為0。此外,當轉導gm在振盪範圍內時,較高的轉導gm可以加快起振速度,因此習知振盪器都會將轉導gm設定的較高,換言之,將振盪器電流I設定的較高,以確保起振並加快起振速度,但這樣的設計在振盪器起振後,卻造成了無謂的耗電。
在本實施例中,振盪裝置200在初始起振時,提供較高的振盪器電流I(其電流值以第一電流值IMAX
表示);在振盪器100起振後,頻率轉電壓電路201根據振盪頻率訊號Xout降低調節電壓Vad,電壓轉電流電路202再根據調節電壓Vad將振盪器電流由第一電流值IMAX
降低為第二電流值Imin
。須注意,第一電流值IMAX
和第二電流值Imin
均仍將轉導gm維持在振盪範圍內,因此振盪器100仍正常工作,振盪裝置200在起振後以第二電流值Imin
使振盪器100在省電振盪狀態下工作,輸出振盪頻率Xout。
依此方式,振盪裝置200可在振盪器100起振後調低振盪器電流I以降低耗電,因而在不影響振盪器100之正
常功能仍維持相同的頻率輸出下,達成快速起振功能與節能省電的效果,改善習知技術中耗電之問題。
第2B圖係振盪裝置200之一實施例之示意圖。振盪器100包含有晶體模組102與振盪單元101,其細節已於習知技術中說明,不再贅述。頻率轉電壓電路201由電流源Is、開關Sw1與Sw2以及電容C3與C4組成。電壓轉電流電路202在本實施例中以電流鏡架構實現,包含第一電晶體T1、第二電晶體T2、第三電晶體T3以及電阻R2。
請同時參照第2C圖,第2C圖左方繪示本實施例之頻率轉電壓電路201,右方為其等效電路圖,電流源Is連接在電壓輸入端(VDD)和電壓輸出端(Vad)之間,其中,當開關Sw1和Sw2根據振盪頻率訊號Xout切換時,開關Sw1、Sw2與電容C4可視為組成一等效電阻R。將振盪裝置200之振盪頻率訊號Xout之頻率以f表示,頻率f與電阻R和電容C4間的關係可表示為
換言之,等效電阻R可表示為
又,電壓輸出端上所輸出的調節電壓Vad為Vad=Is
*R
式6
結合式5和式6後,調節電壓Vad可表示為
由式7可知,頻率f越低時,調節電壓Vad越高,未起振(f=0)時的調節電壓Vad可以第一準位VMAX
表示,在振盪器起振後,頻率f上升,調節電壓Vad便逐漸被降低,
直到振盪器穩定振盪使頻率f維持在一預設值,此時調節電壓Vad亦被固定在第二準位Vmin
。在振盪頻率訊號Xout之頻率f固定後,調節電壓Vad也會固定為,因此,電路設計者可在設計時根據頻率訊號Xout之頻率f,預先決定電容C4與電流源Is之大小,讓振盪裝置200在起振後藉由頻率f維持在省電振盪狀態。
回到第2B圖,於初始起振時,電流源Is提供之電流使調節電壓Vad在第一準位VMAX
,電壓轉電流電路202據以產生具第一電流值IMAX
之振盪器電流I,振盪單元101接收振盪器電流I,且經由晶體模組102之壓電石英電晶體Pi與電容C1、C2配合起振,產生振盪頻率訊號Xout。
在振盪器100起振並使振盪頻率訊號Xout達到預設之固定頻率後,振盪器100便只需以較低第二電流值Imin
維持工作。頻率轉電壓電路201之開關Sw2依據振盪頻率訊號Xout之反向時脈ckb之控制、開關Sw1依據振盪頻率訊號Xout之時脈ck之控制,並配合電容C3、C4的
充放電調節電壓Vad之大小。舉例而言,時間t1時,開關Sw1依據時脈ck關閉(On),開關Sw2依據時脈ckb開啟(Off),此時電流源Is對電容C3、C4充電。下一時間t2時,開關Sw1依據時脈ck開啟(Off),開關Sw2依據時脈ckb關閉(On),此時電容C4將對地放電。依據式7,調節電壓Vad將隨頻率f上升而逐漸降低,在頻率f達到並固定在其預設頻率時,調節電壓Vad將降至電路設計者預設之電壓準位Vmin
。電壓轉電流電路202接收調節電壓Vad,電晶體T1根據調節電壓Vad之下降相應降低電流I’,經由電晶體T1~T3與電阻R2構成之電流鏡,映射輸出振盪器電流I。如前所述,振盪器電流I與振盪頻率訊號Xout相關,設計者可根據頻率f預設一最低電壓Vmin
,使振盪器100在穩定起振後可以第二電流值Imin
在省電振盪狀態下工作,以最低的耗電量維持振盪頻率訊號Xout。
本發明尚可利用一控制器用以偵測該振盪頻率訊號,並依據該振盪頻率訊號之狀態,調整該電壓轉電流電路之該振盪器電流的大小。一實施方式請參閱第3A圖及第3B圖。第3A圖係根據本發明之頻率轉電壓電路另一實施例之示意圖。在本實施例中,可調式電流源Is由電流源Is1、Is2和Is3組成。須注意,電流源Is係供產生調節電壓Vad之用,與提供給振盪器100之反向器In的振盪器電流I不同。控制器Co1偵測振盪頻率訊號Xout,據以切換開關Sw3、Sw4以調整可調式電流源Is輸出的
電流,使振盪器100維持在最省電的狀態。例如在初始階段時,控制器Co1預設將開關Sw4關閉(On)而開關Sw3開啟(Off),此時總電流Itotal=Is1+Is2,對電容充電而產生初始之調節電壓Vad。若此時的調節電壓Vad不足以起振,控制器Co1偵測不到振盪頻率訊號Xout,此時控制器Co1再將開關Sw3關閉(On),總電流Itotal=Is1+Is2+Is3,調節電壓Vad上升,使振盪器100正常起振而產生振盪頻率訊號Xout;若預設狀態產生之總電流Itotal=Is1+Is2即可起振,控制器Co1則可嘗試將開關Sw4開啟(Off)以進一步降低調節電壓Vad之電壓,若開關Sw3和Sw4皆開啟(Off)的狀態會使振盪頻率訊號Xout消失,控制器Co1便再次將開關Sw4關閉(On)而重新起振。較佳者,控制器Co1包括一記憶體,控制器Co1根據前述動作,將最佳的切換方式儲存於該記憶體中並予以維持,達到最佳的節能效果。
第3B圖顯示本發明頻率轉電壓電路另一實施例之示意圖。其中電容C4為可調式電容,包含有電容C41、C42、C43、C44。控制器C02偵側振盪頻率訊號Xout,並切換開關Sw5、Sw6、Sw7、Sw8,決定出電容C4的最佳值,以達到節能最佳化。較佳者,控制器Co2亦具有一記憶體,將最省電的切換方式加以儲存於其中並予以維持。熟悉本領域之技術者,應能由上述說明瞭解本實施例之運作細節,不再贅述。
當然,在其他實施例中,控制器亦可直接控制電壓轉電流電路所提供之振盪器電流I,例如改變其電流鏡射比例,亦可達到控制該振盪器電流的大小的功效。
須注意,經由上述第3A、3B圖的說明可以了解,控制器Co1與Co2均包括有一記憶體;當然,控制器Co1及/或Co2在其他實施例亦可依據設計者之設計調整記憶體之配置。例如,為節省成本而可設計為不包括記憶體而在每次運作時均作判斷,或是採用外掛之記憶體來進行儲存功能...等。
第4圖係根據本發明之振盪裝置控制方法一實施例的流程圖。配合第2A圖說明之。在開始S402後,於步驟S404對振盪器100提供一具有預設電流值IMAX
之振盪器電流,接著,進入步驟S406,依據振盪器電流IMAX
產生振盪頻率訊號Xout,而後進入步驟S408,頻率轉電壓電路201依據振盪頻率訊號Xout決定調節電壓Vad,接著在步驟S410中,電壓轉電流電路202依據該調節電壓Vad調整該振盪器電流,例如將振盪器電流由第一電流值IMAX
降至第二電流值Imin
,使振盪器100以省電振盪狀態工作,直到結束S410。
舉一實際數據說明,在不考慮振盪器100中的裝置(device)、與振盪晶體(crystal)特性的狀況下,以頻率25MHz的例子來看,初始提供給振盪器100的起振振盪器電流至少要有3mA,因為製程偏差有可能會需要設定
到振盪器電流到6mA以上,所以習知做法會在起振後仍維持提供至少3mA,甚至高達6mA的振盪器電流。本發明提出之控制方法可以在起振後把提供給振盪器100的振盪器電流調降到較低但仍能穩定維持振盪的典型值1mA,甚至有機會調降到500uA,因此可大量的節省電能的消耗,更配合可調式電流源及可調式電容,進一步達成節能最佳化,解決習知技術之問題。
此外,當預設之振盪器電流因製程或其他因素,造成振盪器電流過大使得轉導gm過高而超出振盪範圍時,本發明提出之振盪裝置及其控制方法亦能配合振盪器之特性,在起振後降低振盪器電流,使轉導gm落回振盪範圍內,避免因轉導gm過高而使得振盪器逐漸停止工作。再者,本發明圖示2B、2C、3A、3B所繪式之接地圖案可代表零伏特之接地電壓、或各種數值之參考電壓。
以上雖以實施例說明本發明,但並不因此限定本發明之範圍,只要不脫離本發明之要旨,該行業者可進行各種變形或變更。
200‧‧‧振盪裝置
100‧‧‧振盪器
In‧‧‧反向器
R、R1、R2‧‧‧電阻
C1、C2、C3、C31、C32、C33、C34、C4‧‧‧電容
Pi‧‧‧石英電晶體
201‧‧‧頻率轉電壓電路
202‧‧‧電壓轉電流電路
Is、Is1、Is2、Is3‧‧‧電流源
Sw1、Sw2、Sw3、Sw4、Sw5、Sw6、Sw7、Sw8‧‧‧開關
T1~T3‧‧‧電晶體
Co1、Co2‧‧‧控制器
第1圖顯示一習知振盪器之示意圖。
第2A圖係根據本發明之振盪裝置一實施例之方塊圖。
第2B圖係振盪裝置200之一實施例之示意圖。
第2C圖係頻率轉電壓電路201一等效電路示意圖。
第3A圖顯示頻率轉電壓電路另一實施例之示意圖。
第3B圖顯示頻率轉電壓電路又一實施例之示意圖。
第4圖顯示本發明振盪裝置控制方法一實施例之流程圖。
100‧‧‧振盪器
200‧‧‧振盪裝置
201‧‧‧頻率轉電壓電路
202‧‧‧電壓轉電流電路
Claims (19)
- 一種振盪裝置,包括:一振盪器,接收一振盪器電流而在一輸出端輸出一振盪頻率訊號;一頻率轉電壓電路,耦接該振盪器,用以輸出一調節電壓,該頻率轉電壓電路具有一等效電阻,並根據該振盪頻率訊號之頻率變動相對應地調整該等效電阻之電阻值,以相對應地調整該調節電壓;以及一電壓轉電流電路,耦接該頻率轉電壓電路,根據該調節電壓調整該振盪器電流;其中該等效電阻係與該振盪頻率訊號之頻率與至少一電容的電容值相對應。
- 如申請專利範圍第1項所記載之振盪裝置,其中該頻率轉電壓電路根據該振盪頻率訊號的頻率上升使該調節電壓下降。
- 如申請專利範圍第1項所記載之震盪裝置,其中,該頻率轉電壓電路包括有至少一開關,該至少一開關根據該振盪頻率訊號之頻率進行切換。
- 如申請專利範圍第1項所記載之振盪裝置,其中該振盪器電流控制該振盪器在起振後以省電振盪狀態工作。
- 如申請專利範圍第1項所記載之振盪裝置,其中,在該振盪器起振後,該震盪振盪器電流係控制該振盪器在一振盪範圍內維持振盪。
- 如申請專利範圍第1項所記載之振盪裝置,其中該振盪器包含有一反向器,且該振盪器電流之大小與該反向器的轉導成正比。
- 如申請專利範圍第6項所記載之振盪裝置,其中該反向器的轉導具有一振盪範圍,且該振盪器電流使該振盪器的轉導維持在該振盪範圍內。
- 如申請專利範圍第1項所記載之振盪裝置,其中該頻率轉電壓電路包含有:一電流源,耦接在電壓輸入端和電壓輸出端之間,用以提供電流;一第一開關,其一端耦接該電壓輸出端,受該振盪頻率訊號之時脈控制切換;一第二開關,耦接在該第一開關的另一端及一參考電壓之間,受該振盪頻率訊號之反向時脈控制切換;以及該至少一電容包含有一第一電容與一第二電容;該第一電容,耦接在該電壓輸出端及該參考電壓之間;以及該第二電容,其一端耦接在該第一開關及該第二開關之間,另一端耦接該參考電壓;其中,該第一開關、該第二開關及該第二電容提供該等效電阻,該等效電阻與該第一電容並聯並與該振盪頻率訊號相關。
- 如申請專利範圍第8項所記載之振盪裝置,其中該電流源係一可變電流源。
- 如申請專利範圍第9項所記載之振盪裝置,其中該可變電流源包括複數個並聯的電流源,以及複數個連接在該些電流源之間的開關,以對該電壓輸出端提供不同大小之電流。
- 如申請專利範圍第1項所記載之振盪裝置,更包括:一控制器,用以偵測該振盪頻率訊號,依據該振盪頻率訊號之狀態,調整該電壓轉電流電路之該振盪器電流的大小。
- 如申請專利範圍第8項所記載之振盪裝置,其中該第二電容係一可變電容。
- 如申請專利範圍第12項所記載之振盪裝置,其中該可變電容包括複數個串聯的電容,以及複數個與該些電容並聯的開關,以決定該第二電容的電容值。
- 如申請專利範圍第8項所記載之振盪裝置,其中該電壓轉電流電路包括有一電流鏡電路。
- 一種振盪裝置之控制方法,包含有:提供一振盪器電流至一振盪器;根據該振盪器電流產生一振盪頻率訊號;提供一頻率轉電壓電路,根據該振盪頻率訊號之頻率變動相對應地調整該頻率轉電壓電路的一等效電阻之電阻值,依據該等效電阻之電阻值相對應地調整一調節電壓;以及根據該調節電壓調整該振盪器電流;其中,該等效電阻係與該振盪頻率訊號之頻率與至少一電容的電容值相對應。
- 如申請專利範圍第15項所記載之控制方法,其中,在該振盪器起振後,該振盪器電流係控制該振盪器在一振盪範圍內維持振盪。
- 如申請專利範圍第15項所記載之控制方法,其中根據該振盪頻率訊號決定該調節電壓的步驟包括隨該振盪頻率訊號的頻率上升而降低該調節電壓。
- 如申請專利範圍第15項所記載之控制方法,其中該振盪器電流控制該振盪器在起振後以省電振盪狀態工作。
- 如申請專利範圍第15項所記載之控制方法,其中,該頻率轉電壓電路包括有至少一開關,該至少一開關根據該振盪頻率訊號之頻率進行切換。
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