减少晶体振荡器启动时间的制作方法

本发明总体涉及集成电路，并且更具体地涉及减少晶体振荡器的启动时间的电路和方法。

背景技术：

微功率无线系统的到来已经在多种应用上显得越来越重要。微功率系统的一个示例包括传感器应用。例如，随着近来在微技术(及其相关接口、信号处理和RF电路系统)上的进步，系统焦点已经从与基站通信的受限宏传感器转移到创建通信微传感器的无线网络，这些通信微传感器集合复杂的数据以提供丰富的多维数据交换。虽然给定网络的各个微传感器节点可能不与它们的宏传感器对应物一样精确，但大量节点的网络实现了高质量感测网络，其具有部署和容错的附加优点。

微功率无线系统的每个节点使用无线电仪器(例如，发射机和/或接收机)与可用网络通信。系统的每个无线电仪器通常使用从高质量因数(Q)振荡器生成的基准时钟。高Q因数振荡器的一个限制是它们在接收功率后可能花费相当长的时间来启动，这常常大约为几百微秒。低功率无线网络通过在其中给定设备花费其多数时间在睡眠模式上的占空模式中操作而节约功率。给定无线电仪器通常接通以在仅几百微秒内发送数据，从而节省功率。因此，由于高Q振荡器所导致的启动时间可以比相应的数据包自身更长。因此，较长的晶体振荡器启动时间可能极大地增加微功率网络中的功率消耗。

技术实现要素：

在所描述的示例中，一种电路包括生成输出频率的晶体振荡器。驱动振荡器生成具有驱动频率的启动信号，该启动信号被提供以激活晶体振荡器。启动信号的驱动频率在包含晶体振荡器的工作频率的一系列频率中变化以促进晶体振荡器的启动。

在另一个示例中，一种系统包括具有输入端和输出端的晶体振荡器。驱动振荡器将启动信号提供给晶体振荡器的输入端。驱动振荡器包括控制输入端。耦合至驱动振荡器的控制输入端的占空比调节器在包含晶体振荡器的工作频率的一系列频率中改变启动信号。

在另一个示例中，一种方法包括生成选择一系列频率的占空比命令以操作驱动振荡器。该方法包括基于占空比命令调节驱动振荡器的一系列频率。所述一系列频率包括晶体振荡器的工作频率。该方法包括应用驱动振荡器的输出作为启动信号以补充能量至该晶体，从而促进晶体振荡器的启动。

附图说明

图1示出采用驱动振荡器来减少晶体振荡器的启动时间的电路的一个示例。

图2示出采用驱动振荡器、占空比调节器和控制器来减少晶体振荡器的启动时间的电路的一个示例。

图3示出采用驱动振荡器、占空比调节器和晶体振荡器电路来减少晶体振荡器的启动时间的电路的一个示例。

图4为示出用于激励晶体振荡器的一系列示例频率的示例信号图。

图5示出无线通信系统的一个示例，该无线通信系统采用驱动振荡器来减少晶体振荡器的启动时间。

图6示出减小晶体振荡器的启动时间的方法的一个示例。

具体实施方式

本公开涉及减少晶体振荡器的启动时间的电路。通过在接近晶体的工作频率(即共振频率)的一系列频率中激励晶体，可以减少晶体振荡器的启动时间。例如，如果晶体振荡器的工作频率为48MHz，则驱动频率可以高于和低于48MHz的工作频率而变化，从而增强晶体快速开始以其工作频率振荡的能力。在一个示例中，驱动振荡器可以被提供来生成具有驱动频率的启动信号，该启动信号被提供用于激活晶体振荡器。启动信号的驱动频率可以在包含晶体振荡器的工作频率的一系列频率中变化以促进晶体振荡器的启动。驱动振荡器可以从操纵驱动振荡器内的频率控件的占空比调节器接收频率调节命令。在一些示例中，控制器可以将占空比命令提供给占空比调节器并有助于以耐受时间和温度变化的方式进行驱动振荡器的初始校准和/或持续(ongoing)校准。相比于固定频率，通过在这一系列频率中以这种方式改变驱动频率，较不精确的驱动振荡器有利于在接近晶体的相应工作频率激励晶体并且仍然降低晶体启动时间。

图1示出电路100的示例，该电路100采用驱动振荡器110来减少晶体振荡器120的启动时间。如本文所用，术语“电路”可以包括执行电路功能的有源元件和/或无源元件的集合，诸如处理电路或逻辑电路。例如，术语“电路”也可以包括集成电路，其中所有电路元件都被制造在共同衬底上。如本文所用，术语“启动时间”是指功率被应用于晶体振荡器120直到由该晶体振荡器生成对应于振荡器的工作频率的输出频率的时间。驱动振荡器110生成启动信号(也被称为启动输入)，该启动信号经由连接件112被提供给注入电路130的输入端。例如，注入电路130可以是单缓冲器或互补缓冲器对(例如，图3)，从而经由其输出端132和134将启动信号(例如，一对异相信号)注入到晶体振荡器120的对应端子中以减少晶体振荡器的启动时间。该启动信号可以在示出为驱动频率1(DF1)和DF2直到DFN的一系列驱动频率(DF)中变化，其中N为正整数(或其分数)。驱动频率可以是在最小频率至最大频率之间的一系列离散频率，其中晶体振荡器120的工作频率在最小驱动频率和最大驱动频率之间。

通过在接近晶体工作频率的一系列频率DF1到DFN中激励晶体振荡器120，可以减少晶体振荡器120的启动时间。例如，可以采用晶体振荡器输出频率来驱动各种电路(未示出)，诸如在低功率条件下工作的无线网络无线电电路。通过使系统间断地工作(诸如其中系统花费其多数时间处于睡眠模式中，并偶尔唤醒以发送或接收数据)，可以在无线网络中获得低功率消耗。对于一些系统，诸如蓝牙低能量系统，数据发送时间可以小于晶体振荡器120启动的时间，其被用作例如无线电的锁相环(PLL)的基准时钟。因此，电路100可以减少振荡器启动时间并由于较少的激活时间而减少整个系统的平均功耗。

作为另一个示例，如果晶体振荡器的工作频率为100MHz，则驱动频率DF1至DFN可以高于和低于100MHz的工作频率而变化(例如，提供扫过工作频率的一系列频率)，从而增强晶体快速开始以其相应工作频率振荡的能力。在一个示例中，驱动振荡器110可以在内部被配置成生成具有驱动频率的启动信号，该启动信号被提供用于激活(例如，预充电)晶体振荡器120。例如，驱动振荡器110可以被配置成调谐增加或降低驱动振荡器中的电容和/电阻的内部开关分配器以在其驱动频率范围内改变启动信号的驱动频率。在另一个示例中(例如，图2和图3)，驱动振荡器110可以被提供有(例如来自控制器的)控制代码，所述控制代码调谐内部开关分配器以改变启动信号的驱动频率。

启动信号的驱动频率可以在包含晶体振荡器120的工作频率的一系列频率中变化以促进晶体振荡器的启动。如本文所用，术语“包含”是指生成处于或接近晶体振荡器120工作频率的一系列频率，其可以包括生成处于、高于和/或低于晶体工作频率的频率。

驱动振荡器110可以从操纵驱动振荡器内的频率控件(例如，电阻器和/电容器阵列开关分配器)的占空比调节器(图2和图3)接收频率调节命令。控制器(例如，图2)可以将占空比命令提供给占空比调节器并且例如有助于在时间和温度上进行驱动振荡器的初始校准和/或持续校准。与固定频率相比，通过以这种方式在一系列频率DF1至DFN中改变驱动频率，不必实现高度精确的(例如，昂贵的)驱动振荡器110以便接近晶体振荡器120的相应工作频率激励该晶体振荡器120，从而降低晶体启动时间。

通过将示出为处于某一频率(其接近晶体工作共振频率)的启动信号的另一个时钟注入(到晶体中)，可以减少晶体振荡器120启动时间。通常，如果注入的时钟与晶体共振在频率上基本上相差不超过+/-1％，则注入技术是有效的。例如，如果注入的时钟作为固定频率注入，则注入的时钟启动信号应该在晶体共振频率的±1％(例如，±0.2％)内。与系统100相比，固定频率分配器倾向于在用于生成注入时钟的振荡器上设置严格的容限要求(在温度上稳定的频率以及用于调谐频率的大量位)。

电路100采用电路系统来抖动(例如，调节、改变)驱动振荡器110中的电容和/电阻(例如，调谐电容器和/或电阻器阵列)以在一系列频率上生成注入的启动信号，使得在该范围中的最小瞬时频率低于晶体共振频率并且最大瞬时频率高于晶体共振频率。该方法可以确保晶体振荡器120在其共振频率下接收一定量的能量。结果，电路100实现晶体启动时间的减少，使得电路可以随着过程、电压和温度的变化以稳健的方式工作，而不需要驱动振荡器110的高性能或大面积振荡器设计来生成注入的时钟。

图2示出电路200的示例，该电路200采用驱动振荡器210、占空比调节器220和控制器230来减少晶体振荡器240的启动时间。驱动振荡器210生成被提供给注入电路250的启动信号。类似于以上关于图1所述的电路，注入电路250可以是单一缓冲器或互补缓冲器对以将启动信号作为相应的异相信号注入到晶体振荡器240中，从而减少晶体振荡器的启动时间。如本文所公开的，驱动振荡器210可以在包含晶体振荡器240的工作(例如，共振)频率的一系列驱动频率中改变启动信号。在一个示例中，驱动振荡器210可以被配置成生成具有驱动频率的启动信号，该启动信号被提供给晶体振荡器120。例如，驱动振荡器210可以被配置成(例如，以前述顺序)选择性地激活开关阵列(其包括电容器和/或电阻器的布置)以增加或降低驱动振荡器中的电容和/或电阻，从而在一系列驱动频率中改变启动信号的驱动频率。在另一个示例中(例如，图2和图3)，驱动振荡器210可以被提供有来自占空比调节器220的控制代码，这些控制代码使得改变内部开关分配器以更改启动信号的驱动频率。

作为另一个示例，控制器230可以将占空比命令提供给占空比调节器220，从而指示调节器提供控制信号以使得驱动振荡器提供启动信号，该启动信号具有在处于、高于或低于晶体振荡器230的工作频率的驱动范围中的对应比例频率。例如，如果控制器230将50％的占空比命令发送给占空比命令调节器220，则占空比调节器将使得驱动振荡器210生成频率，所述频率在启动信号注入的给定时段内高于晶体振荡器240的工作频率达约50％的时间并且低于晶体振荡器的工作频率达另外约50％的时间。如果控制器230将约25％(例如，应用的约25％高频率)的高时间(high-time)的占空比命令发送给占空比命令调节器220，则占空比调节器将使得驱动振荡器210生成频率，所述频率在启动信号注入的给定时段内高于晶体振荡器240的工作频率达约25％的时间并且低于晶体振荡器的工作频率达另外约75％的时间。

在一些示例中，在电路200的制造和测试期间，驱动振荡器210的平均输出频率可以被测量，并且固定代码可以被存储，以便占空比调节器指示什么占空比命令应当用于占空比调节器220。与测试环境设定相比，动态调谐示例可以被提供，其中控制器230可以将晶体振荡器240的输出频率与驱动振荡器210的输出频率进行比较。控制器230中的校准器260可以更新独立的计数器，其中的每个计数器由驱动振荡器210和晶体振荡器240的相应输出来驱动。校准器260可以包括用于比较相应计数器的值的比较器，并且根据在给定校准周期内(例如，每小时检查一次振荡器的校准)的计数器值的差别，控制器230可以更改提供给占空比调节器220的占空比命令。控制器230可以在一个方向上(例如，增加或降低)调节占空比，使得给定注入周期的较大比例被花费在对应于晶体振荡器的工作频率的一部分频率范围中。该调节可以随着时间而递增或设定成在驱动频率范围和晶体振荡器的工作频率之间的最大交叠。

图3示出电路300的示例，该电路300采用驱动振荡器310、占空比调节器314和晶体振荡器电路320来减少晶体振荡器320的启动时间。该晶体振荡器电路320包括供应电流至晶体管334的电流源330，该晶体管334驱动晶体324。晶体振荡器电路324还可以包括负载电容器344和350以及在晶体管334的漏极和栅极之间的偏置电阻器340。注入电路360包括互补缓冲放大器364和368，互补缓冲放大器364和368连接至晶体324的相应终端。在启动时缓冲器放大器364和368将由驱动振荡器310生成的启动信号注入到晶体324中。如图所示，占空比命令(例如，位<M:0>)可以被提供给占空比调节器314以指定占空比。

例如，在接收到占空比命令后，占空比调节器314可以供应指定驱动振荡器310的频率的最有效位作为控制工程FCTRL<N:1>。最低有效位FCTRL<0>(或在其他示例中的多于一位)可用于基于占空比命令切换驱动振荡器310的频率(例如，高和低)。供应至驱动振荡器310的控制位可以被采用以选择确定驱动振荡器的输出频率的电容器和/或电阻器的布置。如前所述，如果占空比命令例如为50％，则针对给定的时段，最低有效位将在驱动振荡器310的50％注入时间内切换为低并且在剩余的50％注入时间内切换为高。缓冲放大器(例如，互补驱动器)364和368可以在功率被施加到晶体324的时间打开。驱动器364和368可以在预定时间段(例如，1至5微秒)之后关闭。例如，通过使用本文描述的注入方法和频率变化，晶体振荡器320启动时间可以从约400微秒减少到约20微秒，但是根据电路参数，其他启动时间减少也是可能的。启动时间的这种减少可以允许使用来自晶体振荡器的输出的电路系统保持功率切断状态达较长的时间段，从而实现增加的功率效率。

图4是示例信号曲线图400，其示出激励晶体振荡器的一系列示例频率。线410表示示例晶体振荡器的工作频率(例如，共振频率)。线420表示示例高驱动频率，而线430表示示例低驱动频率。在该示例中，工作频率为48MHz并且是基本恒定的值。针对高频注入和低频注入的线420和线430高于或低于工作频率变化约1MHz。根据上述占空比命令可以将线420和线430调节得更高或更低。曲线图400示出晶体频率应当在由驱动振荡器生成的最小频率和最大频率内。本文描述的占空比调节改变驱动振荡器处于高频率和低频率(线420和线430)的时间百分比。在该曲线图400中，高频率和低频率自身被改变。

图5示出无线通信系统500的一个示例，该无线通信系统500采用驱动振荡器510来减少晶体振荡器520的启动时间。在该示例中，来自晶体振荡器520的输出驱动后续的无线系统530，该无线系统530可以被用于通过无线网络(未示出)发射或接收数据。无线系统530可以包括唤醒电路540，该唤醒电路周期性地激活(例如，每秒一次)以便初始化本文描述的振荡器操作。这可以包括激活占空比调节器以及驱动振荡器510。唤醒电路540还可以在相应的激活过程期间将功率激励到驱动振荡器510、注入电路550(例如，单端或差分电路)和晶体振荡器520。

就上述的前文结构性和功能性特征而言，参考图6将更好地理解示例方法。然而，为了简化解释的目的，该方法被示出和描述为连续地执行，但该方法不受所示顺序的限制，因为该方法的一些部分可以以不同于本文所示和所述的顺序而发生和/或同时发生。该方法可以由各种部件(诸如集成电路、计算机或控制器)执行。

图6示出减小晶体振荡器的启动时间的方法600的一个示例。在610处，方法600包括生成选择一系列频率的占空比命令以(例如，经由图2的控制器230)操作驱动振荡器。在620处，方法600包括基于占空比命令(例如经由图2的占空比调节器220)来调节驱动振荡器的一系列频率。这一系列频率包括晶体振荡器的工作频率。在630处，方法600包括应用驱动振荡器的输出作为启动信号以(例如，经由图2的驱动振荡器210)激活晶体振荡器，从而促进晶体振荡器的启动。虽然未示出，但方法600还可以包括调节占空比命令以更改驱动振荡器的驱动频率高于和低于晶体振荡器的驱动频率，诸如本文所公开的。这还可以包括基于晶体振荡器的工作频率与驱动振荡器的驱动频率的比较结果(例如，通过图2的控制器230的比较器260来比较)调节占空比命令。例如，在630处已经应用驱动振荡器后，定时器或其他控件可以在预定的时间周期后停用驱动振荡器。

在权利要求的范围内，可以在所描述的实施例中进行修改，并且其他实施例也是可能的。