【技术实现步骤摘要】
本申请涉及晶体振荡器，并且更具体地涉及晶体振荡器的启动。
技术介绍
1、晶体振荡器(xo)通常使用皮尔斯振荡器，因为它们简单且易于调谐。图1示出了皮尔斯振荡器100和对应的模型101。晶体振荡器100包括晶体102和用于调谐晶体振荡器100的频率的调谐电容器cl1104和cl2 106。该晶体具有标记为xi和xo的两个端子，其中一个端子105(节点xi)连接到放大器108的输入端，并且另一端子107(节点xo)连接到放大器的输出端。放大器可以采取各种形式。一种流行且简单的放大器实现使用简单的cmos反相器，其中电阻器110(rf)将放大器偏置在反相器的阈值电压以获得最大增益。然而，该方法缺乏根据某些xo应用的需要充分控制偏置电流的能力。另一种方法使用具有跨导(gm)的电压电流放大器。电阻rn 112模拟有效负电阻，其计算如下：
2、其中0是2π0，并且0是谐振频率。
3、在皮尔斯振荡器中，振荡发生在晶体的并联谐振处，这可由下式确定：
4、
5、其中s是串联谐振频率，并且连同s和s由晶体确定。ct表示动态电容。它表示从晶体位移中获得的压电电荷。rs表示动态电阻，并且表示晶体中的机械损耗。ls表示动态电感，并且表示晶体中的移动质量。c0是电极xi与xo之间的并联电容和杂散电容。
6、
7、由于cl的变化引起的振荡频率的牵引率可以通过下式计算：
8、
9、建立振荡的启动时间是|rn|、rs和ls以及晶体中初始和最终电流建立的函数，如下所示：
10、
11、建立振荡的启动时间可以通过增加|rn|和降低ct来最小化，因为ls、ω0和rs由晶体确定。|is(0)|是晶体中电流的初始条件，并且通常由振荡器偏置施加于晶体时的阶跃响应确定。
12、图2示出了使用两个电容器组202(c1)和204(c2)调谐cl1和cl2的晶体振荡器200的现有技术实现。控制信号cp1 203和cp2 205调节电容以调谐电容器组。晶体振荡器中振荡的建立分为两个阶段：i)具有振荡指数建立的启动阶段；以及ii)当vxo(放大器的输出节点)电压受限时，具有振荡线性建立的中间阶段。
13、在启动阶段期间，在跨导放大器206和208都“接通”的情况下，施加高电流。控制信号ce(核心使能)210和hge(高增益使能)212在启动阶段期间都是“接通”的。xgm放大器具有非常高的gm/id，以获得偏置电流的最大gm，从而限制放大器的线性度和vxo的电压摆幅。此外，cl1(电容器组c1 202)和cl2(电容器组c2 204)在启动阶段期间被设置为最小值。比较电路214检测vxo(xo节点的电压)何时达到阈值，其中电压摆幅被xgm放大器208限制。比较电路214被启用(pke为高)，并且输入多路复用器216选择vxo信号(pk_sel为高)。阈值th1 220被用作比较电路214在启动阶段的阈值。当vxo幅度高于th1阈值时，比较电路的输出pkd 223变为高，从而警告控制器218启动阶段已经结束。
14、在中间阶段，cl1和cl2被设置为稳态目标值。响应于检测到启动阶段的结束，控制器218通过消除hge 212来禁用xgm放大器208，将pk_sel改变为0，并且将提供给比较电路的阈值改变为th2 222。核心跨导放大器(gm)206在中间阶段和稳态中保持接通。中间阶段中的偏置电流比稳态偏置电流高得多，以通过使vxo几乎全摆幅受电源限制来在中间阶段尽可能快地建立晶体中的电流。在中间阶段期间，xi节点上的电压vxi的幅度仍然很低，并且晶体两端的电压几乎是vdd/2幅度的正弦曲线(vinj＝vdd/2)。中间阶段的大致时间(tint)可以使用该假设来计算：
15、
16、其中|is,target|是目标稳态晶体电流，k是补偿vxo到轨到轨渐变的比例因子，vxo,pp是峰峰值vxo幅度，而|is(t＝t1)|是中间阶段开始时的晶体电流。
17、该电路通过监测vxi来确定晶体电流达到|is,target|。当比较电路214确定vxi幅度超过阈值th2 222时，中间阶段结束。gm偏置电流从中间设置改变到稳态设置，该稳态设置是先前使用偏置优化回路确定的，以找到稳态电流来保持vxi幅度刚好高于th2。通常，稳态偏置电流远低于在启动阶段和中间阶段中使用的电流。控制器218通过在中间阶段结束后立即使平方缓冲器使能(sqe)信号225生效来启用平方缓冲器224，以使时钟可用于在clkout226处使用。
18、图3描绘了晶体振荡器电路200的时序图。启动阶段301的时间通常是中间阶段303的两倍。对于某些应用，最小化启动阶段中建立电流所需的时间，从而最小化晶体振荡器的总启动时间非常重要。如图3中所示，在具有低输出摆幅的启动阶段结束时，vxo幅度几乎饱和。在中间阶段结束时，vxo幅度饱和到最大摆幅。由于在启动阶段和中间阶段之间改变偏置电流和禁用xgm放大器，vxi和vxo信号中存在跳跃。
19、为了提高电源灵敏度并且增加所支持的电源电压范围，图4中所示的晶体振荡器电路400包括低压差(ldo)调节器402，其被添加到图2中所示的晶体振荡器电路200中。由电源电压直接供电的调节器参考发生器404为调节器402提供参考和偏置电流。另一个偏置发生器406由已调节电压vdda(ldo调节器402的输出)供电，以降低所产生的偏置电流的电源灵敏度。控制信号be用于通过启用调节器402、调节器参考发生器404和核心偏置发生器406来启用晶体振荡器的偏置。控制信号vadj 408控制/调整ldo调节器402的输出vdda。
20、由晶体管p1和n1形成的cmos反相器实现gm跨导放大器206，其中vs被认为是由于cd电容器引起的振荡频率下的ac接地。对于相同的偏置电流，实现cmos型跨导放大器可使gm的值翻倍。晶体管n2、n3、p2和p3实现了高增益跨导放大器(xgm)208，其中n3和p3被用作自共源共栅器件，以提高跨导放大器208的输出电阻。此外，n3和p3的阈值电压的绝对值低于n2和p2。当hge为高时，开关s3和s5“接通”(闭合)，而开关s4和s6“关断”(打开)。当hge为低时，开关s3和s5“关断”，而s4和s6“接通”。晶体管n2和p2很宽，以利用偏置电流获得最大的可用跨导。
21、电流镜数模转换器(dac)控制偏置电流，其中使用简单的电流镜412来实现两个最高有效核心偏置位(cb[8:7])，而使用共源共栅电流镜414来实现其余的位(cb[6:0])，以提高稳态偏置下的电源灵敏度，这在两个msb被禁用的情况下通常较低。在启动阶段和中间阶段期间，放大器的偏置电流很高，以尽可能快地在晶体中建立电流。在稳态中，电流dac被设置为将使振荡幅度保持固定的值。
22、图5示出了平方缓冲器224的示例，其中输入(xi)被ac耦合，以使平方缓冲器的性能独立于输入的dc电压。与核心放大器类似，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于启动晶体振荡器的方法，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述启动阶段期间并且在禁用所述注入之后，将所述第二节点上的第二节点电压的幅度与第二电压阈值进行比较，以确定所述第二节点电压是否大于所述第二电压阈值。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：响应于所述第二节点电压的幅度大于所述第二电压阈值，进入所述中间阶段。
4.根据权利要求2所述的方法，还包括：响应于所述第二节点电压的幅度不大于所述第二电压阈值，在所述启动阶段结束之前，接通耦合在所述第一节点与所述第二节点之间的第二放大器。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：在接通所述第二放大器之后，响应于所述第二节点电压的幅度大于所述第二电压阈值，进入所述中间阶段。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括：响应于所述第二节点电压的幅度大于所述第二电压阈值，关断所述第二放大器。
7.根据权利要求4所述的方法，还包括：从在所述启动阶段期间将所述第二节点电压的幅度与所述第二电压阈值进行比较改变到在所述中间阶段期间将所述第一节点电压的幅度与所述第一电
8.根据权利要求1所述的方法，响应于所述预定时间段的结束，确定所述启动阶段的结束。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，还包括：针对所述中间阶段和在所述中间阶段之后的稳态阶段期间，将所述晶体振荡器的调谐电容器设置为稳态值。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，还包括：响应于所述中间阶段结束，应用稳态偏置条件以使所述第一节点上的第一节点电压和所述第二节点上的第二节点电压保持在期望的稳态条件。
11.一种晶体振荡器，包括：
12.根据权利要求11所述的晶体振荡器，其中，所述注入电路还包括：
13.根据权利要求12所述的晶体振荡器，其中，所述第一三态驱动器和所述第二三态驱动器的相应输出在被禁用时处于高阻抗。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的晶体振荡器，其中，在所述启动阶段期间在所述注入电路被禁用之后，所述比较电路将所述第二节点上的第二节点电压的幅度与第二电压阈值进行比较。
15.根据权利要求14所述的晶体振荡器，其中，响应于所述比较电路指示所述第二节点电压的所述幅度大于所述第二电压阈值，所述晶体振荡器进入所述中间阶段。
16.根据权利要求14所述的晶体振荡器，还包括：
17.根据权利要求16所述的晶体振荡器，其中，在启用所述第二放大器电路之后，响应于所述第二节点电压的幅度大于所述第二电压阈值，所述晶体振荡器进入所述中间阶段。
18.根据权利要求17所述的晶体振荡器，其中，所述比较电路的输入响应于所述第二节点电压的幅度超过所述第二电压阈值而被改变，以将所述第一节点电压的幅度与所述第一电压阈值进行比较来确定所述中间阶段的结束。
19.根据权利要求11至13中任一项所述的晶体振荡器，其中，响应于所述预定时间段的过去，确定所述启动阶段的结束。
20.一种晶体振荡器，包括：
21.根据权利要求20所述的晶体振荡器，还包括：
...【技术特征摘要】
1.一种用于启动晶体振荡器的方法，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述启动阶段期间并且在禁用所述注入之后，将所述第二节点上的第二节点电压的幅度与第二电压阈值进行比较，以确定所述第二节点电压是否大于所述第二电压阈值。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：响应于所述第二节点电压的幅度大于所述第二电压阈值，进入所述中间阶段。
4.根据权利要求2所述的方法，还包括：响应于所述第二节点电压的幅度不大于所述第二电压阈值，在所述启动阶段结束之前，接通耦合在所述第一节点与所述第二节点之间的第二放大器。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：在接通所述第二放大器之后，响应于所述第二节点电压的幅度大于所述第二电压阈值，进入所述中间阶段。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括：响应于所述第二节点电压的幅度大于所述第二电压阈值，关断所述第二放大器。
7.根据权利要求4所述的方法，还包括：从在所述启动阶段期间将所述第二节点电压的幅度与所述第二电压阈值进行比较改变到在所述中间阶段期间将所述第一节点电压的幅度与所述第一电压阈值进行比较。
8.根据权利要求1所述的方法，响应于所述预定时间段的结束，确定所述启动阶段的结束。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，还包括：针对所述中间阶段和在所述中间阶段之后的稳态阶段期间，将所述晶体振荡器的调谐电容器设置为稳态值。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，还包括：响应于所述中间阶段结束，应用稳态偏置条...
【专利技术属性】
技术研发人员：穆罕默德·M·埃尔克霍利，弗朗西斯科·巴拉莱，蒂亚戈·平托·吉亚·马克斯，史蒂芬·斯考格，哈康·伯利，
申请(专利权)人：硅实验室公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。