具有基于无噪声振幅的启动控制环路的晶体振荡器的制造方法
【专利说明】具有基于无噪声振幅的启动控制环路的晶体振荡器
【背景技术】
[OOOU联邦通信委员会（FCC)已经在60GHz频率范围内巧7GHz至64GHz)分配了带宽频 谱。无线吉比特联盟（WiGig)正在计划该频带的标准化，该将支持高达7Gbps的数据传输 速率。在半导体管巧中形成的集成电路在该毫米波波长频率范围内提供高频操作。该些集 成电路中的某些在该些设计中利用互补金属氧化物半导体（CMOS)、娃-错（SiGe)或神化嫁 (GaAs)技术来形成该管巧。由于WiGig收发器使用数模转换器值AC)，该减少后的电源影 响DAC的性能。
[0002] 互补金属氧化物半导体（CM0巧是用于构建集成晶体管的主要技术。该技术中使 用了N沟道晶体管和P沟道晶体管（M0S晶体管），该技术使用线技术来持续一致地降低M0S 晶体管的沟道长度。用于该技术的该些电流值中的某些包括沟道长度为40nm、VDD电源等 于1. 2VW及金属层层数为8个或更多。该技术典型地随技术变化。
[0003] CMOS技术使得设计人员能够在一个管巧上形成被称为片上系统（S0C)的非常大 的系统级设计。S0C是具有数百万（如果不是数十亿）晶体管的复杂系统，该些晶体管包含 模拟电路和数字电路。模拟电路纯模拟操作，数字电路纯数字操作，并且该两种电路类型可 被组合在一起W形成W混频信号模式操作的电路。
[0004] 例如，W自身基本形式的数字电路仅使用逻辑，并且某些示例可W是包括至少一 个；处理器、存储器、控制逻辑、数字I/O电路、可重配置逻辑和/或被编程用于作为硬件 仿真器操作的硬件的组件。W自身基本形式的模拟电路仅使用模拟电路，并且某些示例可 W是包括至少一个；放大器、振荡器、混频器、和/或滤波器的组件。W自身基本形式的混 频信号仅使用数字电路和模拟电路两者，并且某些示例可W是包括至少一个；数模转换器 值AC)、模数转换器（ADC)、可编程增益放大器（PGA)、电源控制、锁相环（P化)、和/或对工 艺、电压和温度（PVT)的晶体管行为控制的组件。数字逻辑组件与模拟电路组件的组合可 W看起来表现得像混频信号电路那样；此外，如具备本领域知识的技术人员所理解，所提供 的示例并非穷尽。化L使用频率基准，该频率基准典型地来自于晶体振荡器。
[0005] 电气系统的关键设计参数之一是生成稳定且可靠的振荡器。如果受到应力，在电 场的影响下，石英晶体振荡器可W生成电场。石英晶体（也被简称为晶体）可被塑造成各 种尺寸和厚度，W实现高达30MHz左右的基本频率的大量谐振频率行为。随着晶体变得越 薄，基本频率升得越高。30MHzW上的更高阶泛音也是可能的。由于晶体的机械结构振荡， 因此可确定用于物理系统的储能电路的电气模型。图1示出了电气模型。晶体的机械质量 可由电感Le建模，晶体的刚度可由电容Ce建模，而热损失可由电阻Re建模。并联电容CSH 是晶体在不振荡时所呈现的电容。石英晶体有极好的频率特性，该允许该些装置被用于系 统中来跟踪时间。它们提供了非常稳定的时钟，可在集成电路中使用。
[0006] 晶体振荡器的关键参数之一是等效串联电阻巧SR)。当晶体在基本频率振荡时，电 感L。的电抗等于电容C。的电抗的绝对值。当该两个电抗被加在一起时，净和为零。然而， 在该频率，R。等于ESR。ESR的值可与在相同频率操作的晶体存在数量级的不同。在无线系 统中，晶体的ESR的范围可W是10欧姆至150欧姆。典型地，较低的ESR值意味着晶体将 具有较高成本，因为损失较低。ESR的如此大范围变化为用于操作晶体的启动和偏置电路的 设计带来了问题。如果该值太大，晶体可能不振荡。如果该值太小，电路可能超过晶体的驱 动电平并损坏晶体。
[0007] 该驱动电平是电路必须满足的重要标准，但不能超过W确保晶体不被损坏。过大 的驱动电平可引起晶体频率行为的偏移、装置老龄化速度比预期更快、或更糟的是装置需 要承受过大应力，该会导致晶体的物理故障。如果驱动电平太小，晶体可能一点都不振荡。 目前，解决该些问题的方法是1)设计电路族，其中的每一电路被设计成用于驱动有限范围 的驱动电平中的一个驱动电平，迫使巧片制造商提供若干个版本的产品，该有效地增加了 它们的成本；或者2)仅设计一个电路并强迫客户购买具有规定驱动范围的特定晶体，该可 能会失去客户。将描述一种创新技术，该技术克服了该两个问题。
[000引使用皮尔斯配置的晶体振荡器是非常常见的电路设计。皮尔斯电路仅需要一个逆 变器增益级。理想地，振荡器的输出处的频谱应仅在基本频率时产生振荡。然而，由于噪声， 振荡器的输出处的波形展现频率偏移或者频率在基本频率周围分布。引起该噪声的成分之 一被称为"1/f"噪声或闪烁噪声。在振荡器的任何设计中，均需要最小化1/f噪声来提高 系统规格。在晶体振荡器的设计中，另一创新技术被用于降低1/f噪声。
【发明内容】
[0009] 为了通用，晶体振荡器需要与来自各制造商的许多不同类型的晶体相兼容，该些 制造商试图满足便携式应用的规格。ESR的该一宽泛范围的影响是晶体振荡器的（逆变器） 增益需要足够大W使振荡开始。大增益将会快速启动振荡，而低增益将具有很长的启动时 间。对于一个目标应用，振荡应该在200ysW下开始。使用大增益逆变器将满足该要求， 然而，当逆变器增益大时，施加到晶体的信号功率也大。由于晶体是机械系统，其中振荡是 由于晶体的振动，因此当晶体试图跟上外部刺激时，晶体会被过度驱动到振动并由此发生 机械故障且可能失效。晶体制造商的规格对可施加到晶体的功率的量提供了限制。为了晶 体可靠地操作，必须遵循该些规格。
[0010] 根据本发明的一个方面，控制环路被用于提供大增益来快速启动晶体的振荡。一 旦振荡开始，则检测振幅。控制电路基于所测量的振幅确定是否需要禁用开关来限制所施 加的增益低于晶体的功耗规格。在振荡器已经开始振荡之后，然后振荡器进入稳态模式。控 制环路完全断开振幅检测器、控制电路并禁用偏置电路，该样使得该些组件从振荡器脱离， 使得该些组件相对于振荡器"无噪声"。因此，在启动之后，该些组件不会影响晶体的稳态相 位噪声性能。
[0011] 另一说明性实施例介绍了受混频信号控制的电源多路径电阻式阵列，该电阻式阵 列调整最大电流来适应晶体。逐次逼近ADC被插入在振幅检测器和多路电阻式阵列之间。 逐次逼近ADC将振幅转换成若干分区，并启用/禁用通往振荡器的逆变器的若干功率路由 路径之一。该允许用户所选择的晶体与片上驱动电路之间的更好匹配，W便在不对晶体施 加应力的情况下将振荡器上电。
[0012] 在另一说明性实施例中，通过对许多性能标准（包括确保逆变器具有足够增益来 提供启动，但又不过大而消耗太多功率）精屯、优化最小化了振荡器电路的"1/f"噪声。为 降低1/f噪声和热相位噪声等，在尺寸方面对该些晶体管进行了优化。
[0013] 另一说明性实施例包括一种晶体振荡器装置，该晶体振荡器装置具有；通过受控 开关阵列供电的晶体振荡器、经由传输栅极被禪合到第一振幅检测器的晶体振荡器的输 出、被禪合到第一振幅检测器的输出的控制逻辑的第一输入、W及被禪合到受控开关阵列 的控制逻辑的至少一个输出。该装置还包括被禪合到该传输栅极的控制逻辑的至少一个输 出。受控开关阵列包括与第二电阻器和晶体管的串联组合并联的第一电阻器或者与同晶体 管串联的另一电阻器的至少一个组合并联的第一电阻器。晶体振荡器包括被禪合到逆变器 的输入的晶体的第一节点、被禪合到逆变器的输出的晶体的第二节点、被禪合到晶体的第 一节点的第一电容器、被禪合到晶体的第二节点的第二电容器、W及被禪合到受控开关阵 列的逆变器的功率引线。电阻器串的输出被禪合到第二振幅检测器的输入，并且第二振幅 检测器的输出被禪合到控制逻辑的第二输入。第一数字信号将电阻器串的分接点禪合到电 阻器串的输出。该第一振幅检测器和该第二振幅检测器在配置和尺寸方面基本类似。
[0014] 另一说明性实施例包括一种装置，该装置具有：通过受控开关阵列供电的晶体振 荡器、经由传输栅极被禪合到第一振幅检测器的晶体振荡器的输出、被禪合到第一振幅检 测器的输出的比较器的第一输入、被禪合到逐次逼近寄存器（SAR)的比较器的输出、W及 被禪合到受控开关阵列的SAR的多个数字输出。SAR的至少一个输出被禪合到传输栅极的 栅极。受控开关阵列包括第一电阻器，该第一电阻器与同晶体管串联的另一电阻器的至少 一个组合并联。电阻器串的输出被禪合到第二振幅检测器的输入，并且该振幅检测器的输 出被禪合到第二振幅检测器的输入，并且第二振幅检测器的输出被禪合到比较器的第二输 入。第一数字信号将电阻器串的分接点禪合到电阻器串的输出。
[0015] 最后，另一说明性实施例包括一种最小化晶体振荡器中的1/f噪声的方法，该方 法包括W下步骤：通过受控开关阵列为晶体振荡器供电；形成受控开关阵列，其中第一电 阻器与同晶体管串联的另一电阻器的至少一个组合并联；将晶体振荡器的输出禪合到第一 振幅检测器；将控制逻辑的第一输入禪合到第一振幅检测器的输出；检测控制逻辑的第一 输入何时大于基准电压；将控制逻辑的至少一个输出禪合到受控开关阵列；调整受控开关 阵列的网络；使用调整后的网络向晶体振荡器供应减小后的电流；W及由此最小化晶体振 荡器中的1处噪声。该方法进一步包括在晶体振荡器和第一振幅检测器之间禪合传输栅 极；使用控制逻辑的输出禁用传输栅极；将第一振幅检测器与晶体振荡器的输出隔离；将 电阻器串的输出禪合到第二振幅检测器的输入；在第二振幅检测器的输出处生成基准电 压；W及选择电阻器串的分接点电压。
【附图说明】
[0016] 请注意，本说明书所示出的附图可能不一定是按比例绘制的，并且在该些简图中 的各种元件的相对尺寸是示意地描绘的。此处所呈现的本发明可许多不同的形式实 施，并且不应解释为受限于在此阐述的实施例。相反，提供该些实施例W便本披露将是彻底 和完整的，并且将向本领域技术人员充分地传达本发明的范围。在其他情况下，没有示出或 详细描述众所周知的结构和功能，W避免不必要地模糊本发明实施例的描述。同一数字指 的是简图中的同一元件。
[0017] 图1描绘了晶体振荡器的等效电路。
[0018] 图2示出了具有单个逆变器的皮尔斯振荡器。
[0019] 图3呈现了根据本发明的具有通过PWB上的焊料凸块被禪合到晶体的巧片的系统 的截面图。
[0020] 图4示出了根据本发明的CMOS逆变器的寄生电容。
[0021] 图5示出了根据本发明的用于测量1/f噪声的测试电路。
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