TWI691163B - 起振電路及其操作方法 - Google Patents

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一種起振電路，其包括驅動單元、反向放大器以及電阻。驅動單元是用以接收第一控制訊號以及第二控制訊號，驅動單元並輸出脈波訊號，驅動單元根據第一控制訊號決定是否致能。反向放大器具有第一端以及第二端，反向放大器的第一端用以接收脈波訊號並與石英震盪器之輸入端電性耦接，反向放大器之第二端與石英震盪器之輸出端電性耦接。電阻的一端與反向放大器的第一端電性耦接，另一端與反向放大器的第二端電性耦接。

Description

起振電路及其操作方法
本發明是有關於一種起振電路，尤其是有關於一種石英震盪器之起振電路。
石英震盪電路是利用石英震盪器產生具有固定頻率及振幅的穩定脈波，其廣泛應用於資訊、通訊、消費性及汽車、工業等領域。石英震盪器起振後普遍需等待一段時間才能震盪出具有穩定頻率及振幅之脈波，而此特性明顯造成時間成本的損失，因此如何有效使石英震盪電路快速輸出具有穩定頻率及振幅之脈波，已經成為本領域研究人員所重視的議題。
為了解決上述之缺憾，本發明提供一種起振電路，可加快石英震盪電路輸出具有穩定頻率及振幅之脈波的時間。
本發明提供之起振電路，其包括驅動單元、反向放大器以及電阻。驅動單元是用以接收第一控制訊號以及第二控制訊號，驅動單元並輸出脈波訊號，驅動單元根據第一控制訊號決定是否致能。反向放大器具有第一端以及第二端，反向放大器的第一端用以接收脈波訊號並與石英震盪器之輸入端電性耦接，反向放大器之第二端與石英震盪器之輸出端電性耦接。電阻的一端與反向放大器的第一端電性耦接，另一端與反向放大器的第二端電性耦接。
本發明更提供一種起振電路之操作方法，起振電路包括驅動單元、反向放大器以及電阻，驅動單元接收第一控制訊號以及第二控制訊號，反向放大器與電阻以及石英震盪器電性耦接，其步驟包括：使驅動單元根據第一控制訊號以及第二控制訊號產生脈波訊號，驅動單元根據第一控制訊號而致能；使反向放大器以及石英震盪器接收脈波訊號；以及根據第二控制訊號關閉驅動單元。
本案解決前述問題的方式，乃是在石英震盪器開始震盪前提供額外的能量至石英震盪器，使石英震盪器可以相對較大的能量進行後續震盪，因此石英震盪器可以快速輸出具有穩定頻率及振幅之脈波。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
圖1為依照本發明一實施例之起振電路10的示意圖。請參照圖1，起振電路10與石英震盪器20電性耦接，起振電路10是用以提供能量及電壓至石英震盪器20，並使石英震盪器20起振產生輸出脈波。所述石英震盪器20具有輸入端Vin 以及輸出端Vout ，石英震盪器20之輸入端Vin 與電容C1電性耦接，石英震盪器20之輸出端Vout 與電容C2電性耦接。電容C1具有第一端以及第二端，電容C1之第一端如上所述與石英震盪器20之輸入端Vin 電性耦接，電容C1之第二端則與一低電壓準位電性耦接，此低電壓準位可以為接地。電容C2具有第一端以及第二端，電容C2之第一端如上所述與石英震盪器20之輸出端Vout 電性耦接，電容C2之第二端則與上述之低電壓準位電性耦接，此低電壓準位可以為接地。上述之起振電路10更包括驅動單元11、反向放大器12以及電阻R。驅動單元11是用以接收第一控制訊號VC1 以及第二控制訊號VC2 ，驅動單元11並根據第一控制訊號VC1 以及一第二控制訊號VC2 輸出一脈波訊號PS 至石英震盪器20之輸入端Vin 。反向放大器12具有第一端以及第二端，反向放大器12之第一端與驅動單元11以及石英震盪器20之輸入端Vin 電性耦接，反向放大器12之第二端與石英震盪器20之輸出端Vout 電性耦接，反向放大器12並用以接收第一操作電壓VDD 以及第二操作電壓VSS ，其中，第一操作電壓VDD 之電壓值大於第二操作電壓VSS 。電阻R之一端與反向放大器12之第一端、驅動單元11以及石英震盪器20之輸入端Vin 電性耦接，電阻R之另一端與反向放大器12之第二端以及石英震盪器20之輸出端Vout 電性耦接。
圖2A為本發明驅動單元11之實施例示意圖。請參照圖2A，驅動單元11包括一第一電晶體T11以及一第二電晶體T12，第一電晶體T11其具有第一端、第二端以及控制端，第一電晶體T11之第一端用以接收一第一電壓準位V1 ，第一電壓準位V1 例如為上述之第一操作電壓VDD ，第一電晶體T11之控制端用以接收上述之第一控制訊號VC1 ，第一電晶體T11之第二端用以輸出上述之脈波訊號PS 。第二電晶體T12具有第一端、第二端以及控制端，第二電晶體T12之第一端與第一電晶體T11之第二端電性耦接，第二電晶體T12之控制端用以接收上述之第二控制訊號VC2 ，第二電晶體T12之第二端用以接收一第二電壓準位V2 ，第二電壓準位V2 例如為接地，其中，在此實施例中，第一電晶體T11可以為P型電晶體，第二電晶體T12可以為N型電晶體，但不以此為限。
圖2B為上述之第一控制訊號VC1 、第二控制訊號VC2 以及脈波訊號PS 之時序實施例示意圖。第一控制訊號VC1 之致能時間早於第二控制訊號VC2 之致能時間，如圖2B所示，在時間T0 時，第一控制訊號VC1 開始致能，而第二控制訊號VC2 則是在時間T1 時才開始致能。此外，在此實施例中，第一控制訊號VC1 之致能期間長於第二控制訊號VC2 之致能期間，如圖2B所示，第一控制訊號VC1 之致能期間為時間T0 到時間T1 ，第二控制訊號VC2 之致能期間為時間T1 到時間T2 ，時間T0 到時間T1 的時間長度大於時間T1 到時間T2 的時間長度，但不以此為限。其中，由於在此實施例中，接收第一控制訊號VC1 之第一電晶體T11為P型電晶體，因此第一控制訊號VC1 之致能電壓為低電壓準位，例如為邏輯低電位，而接收第二控制訊號VC2 之第二電晶體T12為N型電晶體，因此第二控制訊號VC2 之致能電壓為高電壓準位，例如為邏輯高電位。
接著將同時配合圖2A以及圖2B說明驅動單元11之操作方法。首先在圖2B時間T0 ，由於第一控制訊號VC1 由高電壓準位轉換為低電壓準位，因此第一控制訊號VC1 致能，同時接收第一控制訊號VC1 的第一電晶體T11因為第一控制訊號VC1 而被致能，因此第一電晶體T11之第一端所接收的第一電壓準位V1 會傳送至第一電晶體T11之第二端，並輸出為脈波訊號PS 。由圖2B可以看出，脈波訊號PS 在時間T0 時，根據第一控制訊號VC1 由低電壓準位轉換成高電壓準位，而此高電壓準位可以等於或小於第一電壓準位V1 。同時在時間T0 ，第二控制訊號VC2 保持於低電壓準位，因此第二電晶體T12在此時點保持為禁能。在時間T0 至時間T1 之期間，由於第一控制訊號VC1 保持為低電壓準位，因此第一電晶體T11之第一端所接收的第一電壓準位V1 會持續傳送至第一電晶體T11之第二端，使脈波訊號PS 在時間T0 至時間T1 之期間維持為高電壓準位。在時間T1 ，此時第一控制訊號VC1 由低電電壓準位轉換為高電壓準位，因此第一電晶體T11為禁能，同時第二控制訊號VC2 由低電壓準位轉換為高電壓準位，因此第二電晶體T12為致能，第二電晶體T12的第一端與第二電晶體T12的第二端導通，脈波訊號PS 因此被第二電壓準位V2 下拉而由高電壓準位轉換為低電壓準位。接著在時間T2，第二控制訊號VC2 由高電壓準位轉換為低電壓準位，第一控制訊號VC1 維持為高電壓準位，脈波訊號PS 維持於低電壓準位。也就是說，脈波訊號PS 致能的時間與第一控制訊號VC1 致能的時間相同。
圖3A為本案石英震盪器20之輸入端Vin 之電壓變化實施例示意圖，圖3A中橫軸為時間，縱軸為電壓值，圖3A中之時點與圖2B相同，以下並配合圖1說明本發明起振電路10之操作方法。首先在時間T0 時，驅動單元11因為第一控制訊號VC1 而致能，並開始輸出具有高電壓準位之脈波訊號PS 至石英震盪器20之輸入端Vin ，而在時間T1 時，驅動單元11因為第二控制訊號VC2 而禁能，驅動單元11因此產生了在時間T0 至時間T1 之間為高電壓準位的脈波訊號PS ，也就是圖3A時間T0 至時間T1 之電壓變化即為圖2B所述之脈波訊號PS 。同時在時間T0 至時間T1 的時段內，由於反向放大器12之第一端(石英震盪器20之輸入端Vin )接收了脈波訊號PS ，因此在反向放大器12之第二端會得到反向的輸出電壓，以脈波訊號PS 之高電壓準位為第一操作電壓VDD 為例，反向放大器12之第二端則會得到反向的第一操作電壓VDD 之電壓值。同時，電容C2之第一端為了與反向放大器12之第二端保持相同壓差，在反向放大器12之第二端因為脈波訊號PS 而降低了與第一操作電壓VDD 相同之電壓值，電容C2之第一端亦同時對應降低了與第一操作電壓VDD 相同之電壓值。而電容C1之第一端為了與反向放大器12之第一端保持相同壓差，當反向放大器12之第一端之電壓值因為脈波訊號PS 而上升了與第一操作電壓VDD 相同之電壓值，電容C1之第一端同時亦對應上升了與第一操作電壓VDD 相同之電壓值，因此，此時在石英震盪器20之輸入端Vin 以及輸出端Vout 之間將具有兩倍第一操作電壓VDD 的壓差，並產生對石英震盪器20充電之電流，故石英震盪器20在此時點因為電流而具有額外之能量並容易起振。接著在時間T1 ，反向放大器12之第一端因為脈波訊號PS 恢復為低電壓準位，並在時間T2 起振電路10開始藉由反向放大器12以及電阻R對電容C1以及電容C2充電直到石英震盪器20之輸入端Vin 以及輸出端Vout 具有相同的平衡電壓值，此平衡電壓值例如為0.5倍的第一操作電壓VDD 。在時間T3 時，由於反向放大器12之第一端以及第二端(石英震盪器20之輸入端Vin 以及輸出端Vout )具有相同之電壓值，因此反向放大器12操作於最大增益之模式，石英震盪器20並同時藉由反向放大器12進行震盪。而如同前述，石英震盪器20在時間T0 至時間T1 時，已先藉由脈波訊號PS 所產生的電流充電增加能量，且石英震盪器20因而更容易起振，因此當石英震盪器20之輸入端Vin 以及輸出端Vout 具有相同之電壓值時，石英震盪器20可以較大能量進行震盪，能更快輸出具有穩定頻率以及振幅之脈波，如圖3A中，藉由時間T3 至時間T4 時的震盪，在時間T4 時，石英震盪器20已經可輸出穩定頻率以及振幅之脈波。
接著請參考圖3B，圖3B為使用其他起振電路之石英震盪器20其輸入端Vin 之電壓變化實施例示意圖。藉由對比圖3A以及圖3B可以看出，在時間T3 時，圖3B之電壓值雖然與圖3A同時到達平衡電壓值，但圖3B之石英震盪器20於時間T3 後輸出之脈波振幅明顯小於圖3A，此外由於圖3B之石英震盪器20以較小的能量開始震盪，因此相對於圖3A，圖3B之石英震盪器20在遠晚於時間T4的時點才能輸出具有穩定頻率以及振幅之脈波，相較之下，本案之起振電路10明顯可有效減少石英震盪器20輸出具有穩定頻率以及振幅之脈波所需的時間。
根據上述之內容，更可匯整出本案起振電路10之操作方法。請參考圖4，圖4為起振電路10之操作方法之步驟實施例示意圖。首先在步驟401，驅動單元11會根據第一控制訊號VC1 而被致能，驅動單元11並根據第一控制訊號VC1 以及第二控制訊號VC2 產生上述之脈波訊號PS 。接著在步驟403，脈波訊號PS 會傳送至石英震盪器20之輸入端Vin 以及反向放大器12之第一端，使脈波訊號PS 在石英震盪器20之輸入端Vin 以及輸出端Vout 之間產生電流，此電流並會對石英震盪器20進行充電。在步驟405中，驅動單元11會因為第二控制訊號VC2 而關閉，脈波訊號PS 因第二控制訊號VC2 由致能電壓準位(本實施例為高電壓準位)轉換為禁能電壓準位(本實施例為低電壓準位)。接著在步驟407中，藉由反向放大器12以及電阻R，使得石英震盪器20之輸入端Vin 以及輸出端Vout 之電壓值為相同的平衡電壓值，接著石英震盪器20將會藉由步驟403所得到之能量快速震盪出具有穩定頻率以及振幅之脈波。
綜以上所述，由於本案之起振電路10可以藉由驅動單元11在起振電路10致能時產生脈波訊號PS ，以藉由此脈波訊號PS 產生電流對石英震盪器20充電，因此當石英震盪器20之輸入端Vin 以及輸出端Vout 之電壓值為相同時，相較於其他習知的震盪電路，不管反向放大器是否操作於最佳增益狀態，本案之石英震盪器20皆可以較大的能量進行震盪，進而快速的輸出具有穩定頻率以及振幅的脈波，有效減少等待石英震盪器20穩定輸出脈波的時間。
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，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，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。
10‧‧‧起振電路 20‧‧‧石英震盪器 Vin‧‧‧輸入端 Vout‧‧‧輸出端 C1‧‧‧電容 C2‧‧‧電容 11‧‧‧驅動單元 12‧‧‧反向放大器 T11‧‧‧第一電晶體 T12‧‧‧第二電晶體 R‧‧‧電阻 VC1‧‧‧第一控制訊號 VC2‧‧‧第二控制訊號 PS‧‧‧脈波訊號 VDD‧‧‧第一操作電壓 VSS‧‧‧第二操作電壓 V1‧‧‧第一電壓準位 V2‧‧‧第二電壓準位 T0、T1、T2、T3、T4‧‧‧時間
圖1為本發明一實施例之起振電路的示意圖。 圖2A為本發明驅動單元之實施例示意圖。 圖2B為本發明之時序實施例示意圖。 圖3A為本發明之電壓變化實施例示意圖。 圖3B為對照電壓變化實施例示意圖。 圖4為本案起振電路之操作方法步驟實施例示意圖。
10‧‧‧起振電路
20‧‧‧石英震盪器
Vin‧‧‧輸入端
Vout‧‧‧輸出端
C1‧‧‧電容
C2‧‧‧電容
11‧‧‧驅動單元
12‧‧‧反向放大器
R‧‧‧電阻
VC1‧‧‧第一控制訊號
VC2‧‧‧第二控制訊號
PS‧‧‧脈波訊號
VDD‧‧‧第一操作電壓
VSS‧‧‧第二操作電壓

Claims (7)

  1. 一種起振電路，其包括：一驅動單元，用以接收一第一控制訊號以及一第二控制訊號，並根據該第一控制訊號輸出一高電壓準位的一脈波訊號及根據該第二控制訊號輸出一低電壓準位的該脈波訊號，該驅動單元根據該第一控制訊號決定是否致能，其中該第二控制訊號之致能時間是接續該第一控致訊號之致能時間之後；一反向放大器，具有一第一端以及一第二端，該反向放大器的該第一端用以接收該脈波訊號並與一石英震盪器之一輸入端電性耦接，該反向放大器的該第二端與該石英震盪器之一輸出端電性耦接；以及一電阻，一端與該反向放大器的該第一端電性耦接，另一端與該反向放大器的該第二端電性耦接；其中當該反向放大器接收該高電壓準位的該脈波訊號時，該石英震盪器的該輸入端及該輸出端之間具有該脈波訊號的兩倍壓差；其中當該反向放大器接收該低電壓準位的該脈波訊號時，該石英震盪器的該輸入端及該輸出端之間具有相同電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之起振電路，該驅動單元包括：一第一電晶體，其具有一第一端、一第二端以及一控制端，該第一電晶體的該第一端用以接收一第一電壓準位，該第一電晶體的該控制端用以接收該第一控制訊號；以及一第二電晶體，其具有一第一端、一第二端以及一控制端，該 第二電晶體的該第一端與該第一電晶體之該第二端電性耦接，該第二電晶體之該控制端用以接收該第二控制訊號，該第二電晶體之該第二端用以接收一第二電壓準位。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之起振電路，其中，該第二控制訊號之致能時間晚於該第一控制訊號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之起振電路，其中，該脈波訊號之致能期間與該第一控制訊號之致能期間重疊。
  5. 一種起振電路之操作方法，該起振電路包括一驅動單元、一反向放大器以及一電阻，該驅動單元接收一第一控制訊號以及一第二控制訊號，該反向放大器與該電阻以及一石英震盪器電性耦接，其步驟包括：使該驅動單元根據該第一控制訊號產生一高電壓準位的一脈波訊號以及根據該第二控制訊號輸出一低電壓準位的該脈波訊號，該驅動單元根據該第一控制訊號而致能，其中該第二控制訊號之致能時間是接續該第一控致訊號之致能時間之後；使該反向放大器以及該石英震盪器接收該脈波訊號；以及根據該第二控制訊號關閉該驅動單元；其中當該反向放大器接收該高電壓準位的該脈波訊號時，該石英震盪器的該輸入端及該輸出端之間具有該脈波訊號的兩倍壓差；其中當該反向放大器接收該低電壓準位的該脈波訊號時，該石英震盪器的該輸入端及該輸出端之間具有相同電壓。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之操作方法，其中，該第二控制訊號之致能時間晚於該第一控制訊號。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之操作方法，其中，該脈波訊號之致能期間與該第一控制訊號之致能期間重疊。
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