一种晶体振荡器快速起振方法
【专利摘要】本发明公开了一种晶体振荡器快速起振方法，包括以下步骤：(1)石英晶体XTAL及其并联的负载电容C1构成晶体谐振回路；(2)差分放大器OTA和受控电流源g1以及晶体谐振电路组成的正反馈主振环路Loop1；(3)差分放大器OTA和受控电流源g2以及电容C2组成的电容补偿环路Loop2；(4)振荡过程中，补偿环路对主振环路产生等效负电容，用来减小或抵消主振环路中晶体两端的并联等效电容；(5)加大正反馈增益，不用担心受到晶体等效并联电容限制，加快电路起振。本电路和方法可以克服常规晶体振荡电路中正反馈增益增大到一定程度后无助于加快起振的障碍，通过补偿并减小晶体并联等效电容和芯片封装管脚寄生电容，能够有效加快晶体振荡器起振速度。
【专利说明】
一种晶体振荡器快速起振方法
技术领域
[0001]本发明涉及电子线路中的振荡器电路，具体来说涉及一种晶体振荡器快速起振方法。
[0002]
【背景技术】
[0003]石英晶体振荡器被广泛应用到现代电子产品中，它提供了数字电路的时钟和模拟电路的参考频率。通常由电子器件组成振荡器电路，再和外接的石英晶体构成晶体振荡器。其中晶体因为具有非常高的品质因数(Q值)，带动振荡器电路工作在一个非常窄小的频率范围中，即电路达到谐振状态，由此提供了比较精确和稳定的时钟和频率信号。
[0004]现有的晶体振荡器的起振时间通常都在毫秒级，在需要频繁启停并且只需要短时工作的系统中，晶体振荡器起振到稳定所占据的时间在整个系统工作时间段中占据了很大的比例，耗费了较大比例的功耗，越来越成为现代低功耗电子系统降低功耗的障碍。随着通信速率的提高和计算速度的进步，真正需要处理信息和传递数据的工作时间正在不断缩减，很多需要连续运行的系统都采用短时工作，长时间休眠的方法提高效率，在休眠期让尽可能多的电路模块停止工作和耗电。由于晶体振荡器起振时间长，在需要快速响应的系统中往往不能将晶体振荡器电路纳入彻底休眠范围，只能忍受晶体振荡以及相关电路引起的功耗，否则就要在系统数据速率或响应速度等方面做出让步。总之，如何提高晶体振荡器的起振速度变成了当前低功耗电子系统的关键。
[0005]晶体振荡器的核心部分是正反馈电路，满足一定的幅度和相位条件才能工作。谐振时，晶体工作于串联谐振频率和并联谐振频率之间，表现为一个感值很大的电感。其余振荡电路表现为一个负阻和一个负载电容的串联，晶体等效电感与负载电容在希望频率处形成串联谐振，而负阻提供足够的能量起振和维持晶体及电路中的能量损耗。因结构简单和容易实现的原因，常见的晶体振荡器主要采用了皮尔斯结构或者其变体的三点式振荡器结构，如图la、图1b所示。图1a是晶体振荡器电路，图1b边是其小信号等效电路，其中晶体等效成了 RLC串联，再与晶体封装电容并联。振荡电路中的放大器部分必须提供足够的正反馈增益，才能引导电路最终进入稳定的振荡工作状态。
[0006]若希望振荡器快速起振，通常需要加大正反馈增益。但是有经验的设计者会发现，当增益加大到一定程度后，继续加大不但不能继续提高起振速度，反而会降低起振速度。这可以用振荡电路的复数阻抗参变曲线图来解释，如图2a、图2b所示，图2a是传统三点式晶体振荡器进一步电路等效图，图中C3电容代表了晶体并联等效电容、封装电容及振荡电路在该点的寄生电容之和。图3中横、纵坐标分别表示振荡电路等效阻抗的实部与虚部，及对应于电路的电阻成分和电抗成分。图中的半圆图形表示了放大器增益gm由O变化到无穷大时电路阻抗的变化情况，与半圆相交于A、B两点的直线表示了振荡临界条件，振荡电路阻抗的实部必须在负方向上超过或等于此临界电阻才能保证振荡，并且负阻超出临界电阻越多，起振速度越快。其实临界电阻就等于晶体等效串联电阻的负值，表示振荡稳定时负阻刚好与晶体的能量衰减相平衡。图2b显示了现有晶体振荡器的阻抗随增益增大的变化曲线是一个从虚轴向负值变大，增益增大到一定程度后负阻到达一个极值，然后又变小的半圆特性曲线，这个半圆的大小与负载电容和晶体并联等效电容有关，主要是受到后者所限。
[0007]也就是说，晶体自身的并联等效电容，以及振荡电路内部和管脚封装上的等效电容，会限制正反馈形成的最大负阻绝对值，使得超过某一临界点后继续加大正反馈增益反而会减小负阻绝对值，因此限制了加大正反馈增益对加速起振的效果。这正是本发明需要突破的现有技术局限。
[0008]
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种晶体振荡器快速起振的方法，本方法可以克服加大增益到一定程度后对进一步提高负阻无效的障碍，突破现有晶体振荡器的最快起振速度瓶颈，简单有效的缩短起振时间，为低功耗电子系统开辟新的省电策略。
[0010]本发明的目的可通过以下的技术措施来实现。
[0011 ] 一种晶体振荡器快速起振方法，包括以下步骤:
1)将晶体置于一个由放大器构成的正反馈电路中；
2)设置正反馈电路参数使其对晶体形成负阻特性，与晶体构成正反馈环路，作为晶体振荡器的主振环路；
3)将第二电容与一个反馈放大器形成另一个环路，作为补偿环路；
4)将主振环路的的放大器电路和补偿环路的放大器电路合并共用，使两个环相互作用，补偿环路在主振环路中表现为电压、电流关系呈现负电容性质，对主振环路的晶体并联等效电容进行全部或部分抵消；
5)加大正反馈增益，增大负阻绝对值，构成快速起振的晶体振荡器。
[0012]进一步地，所述步骤I)的晶体与第一电容并联，第一电容作为晶体负载电容，与晶体构成谐振回路;其设计值考虑其上叠加的多个电容，包括晶体自身的并联等效电容、振荡电路在晶体连接管脚的封装电容，以及该管脚处的有源器件寄生电容。
[0013]
进一步地，所述步骤2)中的主振环路包括放大器和第一受控电流源，第一受控电流源输出电流在晶体与负载电容的谐振回路上产生电压信号VI，该电压信号反馈输入到放大器，构成主振环路。
[0014]进一步地，所述步骤3)中的补偿环路包括放大器和第二受控电流源，第二受控电流源输出电流在第二电容上产生电压信号V2，该电压信号V2反馈输入到放大器，构成补偿环路。
[0015]进一步地，所述步骤4)的共用放大器用差分放大器OTA实现，其正极性输入接到主振环路在第一电容上的电压VI，其负极性输入接到补偿环路在第二电容上的电压V2，其正极性输出控制第一受控电流源，产生电流Il=gl*(Vl-V2)，其负极性输出控制第二受控电流源，产生电流I2=g2*(V2-Vl)。
[0016]进一步地，所述步骤4)的两个环路交互作用，主振环路的电路构造使得其在晶体和第一电容上形成正反馈，是驱动晶体振荡的主体电路;补偿环路的电路构造使得其变成一个电压跟随器，输入为电压VI，第二电容上的电压V2跟随电压Vl变化，变化速度取决于补偿环路增益g2和第二电容;主振环路通过差分输入中的负极性输入引入补偿环路，负极性引入的效果是在主振环路的输出上并联相反的输出电流，即相当于在输出端上并联一个电压、电流关系为电容特性，且电流方向相反的器件，这就相当于并联了一个负电容，它具有减小和抵消第一电容的作用;这样通过两个环路的相互作用构成了一种具有电容补偿效应的晶体振荡器。
[0017]进一步地，所述步骤5)加大正反馈增益的同时，还需要配合电路参数调整，保证直流工作点稳定的同时，取得最佳补偿效果;最佳补偿参数是C2/g2=Cl/gl ;
所述补偿环路的构成特性决定了其产生的电压V2比起输入电压VI，具有较小的矢量幅度，进而补偿环路的补偿或抵消作用不会超过主振环路的放大作用，整个振荡电路仍然保持负阻特性，振荡电路的电抗部分因引入电容负反馈而吸收了晶体并联电容值，使其不会影响正反馈增益对负阻的拉动作用；
进一步地，谐振回路一端接地，另一端接到主振回路的受控电流源输出，主振环路在谐振回路上进行充放电；第一电容与晶体并联，其设计值Cl’不包括晶体自身并联等效电容、振荡电路晶体管脚封装电容、内部放大器寄生电容，所述第一电容是所述设计值Cl’，与晶体自身并联等效电容、振荡电路晶体管脚封装电容、内部放大器寄生电容的总和；
进一步地，为了保证两个环路的直流工作点稳定，需要合理设置电路参数，保持Cl/gl2C2/g2，这里gl和g2分别是主振环路和补偿环路的跨导放大增益；
进一步地，允许一种或多种其它电路配合一起工作，包括但不限于工作电流偏置电路、偏置电压设定电路、幅度检测和幅度控制电路、起振期与稳定期区分电路、起振期加大增益电路、稳定期减小功耗电路、起振期外加脉冲激励电路等。
[0018]所述具有电容补偿效应的晶体振荡器，具备如下特征:利用补偿环路对主振环路中晶体两端并联电容的有效补偿，主振环路的正反馈增益加大所引起的主振环路负阻增长特性，不再受到晶体并联等效电容的限制，主振环路的负阻随增益变化曲线不再是由晶体并联电容决定的半圆，负阻可以随增益加大在负阻方向上更大的范围内提高，从而有利于实现快速起振。如图3所示。
[0019]所述补偿环路的构成特性决定了其产生的电压V2比起输入电压VI，具有较小的矢量幅度，因而补偿环路的补偿和抵消作用不会超过主振环路的放大作用，整个振荡电路仍然保持负阻特性，而振荡电路的电抗部分因引入电容负反馈因此吸收了晶体并联电容值，使其不会影响正反馈增益对负阻的拉动作用。
[0020]所述具有电容补偿效应的晶体振荡器，为了保持直流工作点的稳定，需要合理的设置电路参数，特别是需要保持(:1/^12 02/^2，当(:1/^1=02/^2时能取得最好的补偿效果。为了适应晶体的谐振工作条件，补偿或抵消后的总电容量不能过低，否则晶体将不会工作在串联谐振模式下，整个振荡电路也不会谐振在晶体谐振频率上。因整个电路的负阻特性，可能会振荡在寄生振荡状态。
[0021 ]与现有技术相比，本发明方法的有益效果为:
1、本发明通过独特的电路设计方法，实现了采用电容补偿技术将传统晶体振荡器中限制负阻提高的电容因素进行减小和抵消，拓展了用加大增益方法提高正反馈负阻的适用范围，配合加大正反馈增益，可以加快晶体振荡器起振速度。
[0022]2、晶体振荡器电路起振速度加快后，起振时间缩短，有效工作时间增加，既能提高了系统响应速度，也可以改善有效的数据传输效率；
3、提供时钟或参考频率的电路在系统中的工作准备时间缩短，有利于低功耗电子系统扩大休眠电路范围，降低休眠功耗，使规划更为紧凑的休眠策略成为可能。
[0023]
【附图说明】
[0024]图la、图1b分别是现有的晶体振荡器及其小信号等效图；
图2a、图2b分别是现有晶体振荡电路及其复数阻抗随增益变化图；
图3是实例中所述晶体振荡器快速起振方法的电路结构图；
图4是实例中所述晶体振荡器的复数阻抗随增益变化图；
图5是实例中构造的晶体振荡器电路的仿真波形图。
【具体实施方式】
[0025]本发明提供了一种晶体振荡器快速起振方法，该方法采用一个带有普通电容的电路，模拟产生负电容效应，将其加入到晶体振荡器的正反馈环路中，形成减小或抵消晶体两端并联等效电容的反馈，进而改变当加大正反馈增益时负阻的变化曲线，能够突破依靠加大增益所能实现的最大负阻限制，这样就能配合提高正反馈增益，加快晶体振荡器起振。
[0026]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，包括以下步骤:
I.首先按照如下步骤构造一个晶体振荡器:
1)晶体置于一个由放大器构成的正反馈电路中；
2)设置正反馈电路参数使其对晶体形成负阻特性，与晶体构成正反馈环路，作为晶体振荡器的主振环路；
3)第二电容C2与一个反馈放大器形成另一个环路，作为补偿环路；
4)将两个环路的放大器电路合并共用，使两个环相互作用，补偿环路在主振环路中表现为电压、电流关系呈现负电容性质，对主振环路的晶体并联等效电容进行全部或部分抵消；
5)加大正反馈增益，增大负阻绝对值，构成快速起振的晶体振荡器；
本发明的关键是用另外一个环路模拟产生负电容效应，针对限制负阻最大值的晶体并联等效电容进行补偿或抵消。上述几步构造的晶体振荡器主振环路可以千差万别，补偿环路也可以有多种形式，两个环路交互方式手段多种多样，但是关键的一点需要掌握，就是补偿环路必须能够对晶体的并联等效电容进行部分或全部抵销。
[0027]2.作为一个实施例子，所述步骤I)中晶体可以与一个第一电容Cl并联，与晶体构成谐振回路，将晶体的并联等效电容以及晶体两端的所有寄生电容都纳入第一电容Cl之中，以方便后续电路对负载电容的处理与对晶体并联等效电容的补偿统一操作。如图3所不O
[0028]3.作为一个实施例子，所述步骤2)中的主振环路可以用一个放大器OTA和一个受控电流源gl组成，受控电流源gl输出电流在晶体与负载电容Cl的谐振回路上产生电压信号Vl，该电压信号反馈输入到放大器OTA，构成主振环路。如图3所示。
[0029]4.作为一个实施例子，所述步骤3)中的补偿环路可以用一个放大器OTA和一个受控电流源g2组成，受控电流源g2输出电流在第二电容C2的谐振回路上产生电压信号V2，该电压信号反馈输入到放大器OTA，构成补偿环路。如图3所示。
[0030]5.作为一个实施例子，所述步骤4)中的共用放大器可以用一个差分0ΤΑ(运算跨导放大器)实现，其正极性输入接到主振环路在第一电容Cl上的电压VI，其负极性输入接到补偿环路在第二电容C2上的电压V2，其正极性输出控制第一受控电流源，产生电流Il=gl*(Vl-V2)，其负极性输出控制第二受控电流源，产生电流12=g2*(V2-V1)。如图3所示。
[0031]
6.按照图3所示构造的晶体振荡器，两个环路的交互方式如下:补偿环路构造成电压跟随器，输入为VI，第二电容C2上的电压V2跟随Vl变化，变化速度取决于补偿环路增益g2和的、第二电容C2;主振环路通过差分输入中的负极性输入引入补偿环路，负极性引入的效果是在主振环路输出上并联相反的电流，即相当于并联到输出端上一个电压、电流关系为电容特性，但是电流方向相反的器件，这就相当于并联了一个负电容，它具有减小和抵消第一电容Cl的作用。这样通过两个环路的相互作用构成了一种具有电容补偿效应的晶体振荡器。
[0032]7.加大正反馈增益的同时，还需要配合电路参数调整，保持Cl/gl 2 C2/g2，能够保证直流工作点稳定，为实现最佳电容补偿效果，可选参数C2/g2=Cl/gl;过大的C2/g2会造成因电路的正反馈特性在某个寄生振荡下工作，偏离谐振频率。
[0033]8.按照图3所示构造的晶体振荡器，补偿环路的构成特性决定了其产生的电压V2比起输入电压VI，具有较小的矢量幅度，因而补偿环路的补偿或抵消作用不会超过主振环路的放大作用，整个振荡电路仍然保持负阻特性，振荡电路的电抗部分因引入电容负反馈而吸收了晶体并联电容值，使其不会影响正反馈增益对负阻的拉动作用；
9.图3的实施例中谐振回路的一端接地，谐振回路的另一端接受控电流源输出。在其它实现方式中，谐振回路的两端不一定需要接地，只要被受控电流源进行充放电即可。
[0034]10.图3所示的实施例中，主振环路和补偿环路是对称关系，比较容易得到两个环路的交互关系，特别是选择两个环路的参数成比例时。
[0035]11.完善的晶体振荡器电路，一般都需要配套合适的直流偏置电路，比如另外设计bandgap参考电压，并产生恒流参考源，然后对图3所示实施例中电路提供直流偏置点。如果要求振荡在线性工作状态，必须要设计幅度检测和控制电路，比如峰值检波等电路。如果振荡器的起振时间仍然不能满足要求，可以适当加大图3实施例中的差分OTA增益，或者增加受控电流源的增益。
[0036]12.对上述方法构造的晶体振荡器进行电路仿真和验证，对比传统的晶体振荡器，可以得到加快5倍以上的起振速度(传统晶振起振需Ims左右)，示例波形如图5所示，此时Cl=C2=5pF，gl=g2 * 300uSo
【主权项】
1.一种晶体振荡器快速起振方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)将晶体置于一个由放大器构成的正反馈电路中； 2)设置正反馈电路参数使其对晶体形成负阻特性，与晶体构成正反馈环路，作为晶体振荡器的主振环路； 3)将第二电容与一个反馈放大器形成另一个环路，作为补偿环路； 4)将主振环路的的放大器电路和补偿环路的放大器电路合并共用，使两个环相互作用，补偿环路在主振环路中表现为电压、电流关系呈现负电容性质，对主振环路的晶体并联等效电容进行全部或部分抵消； 5)加大正反馈增益，增大负阻绝对值，构成快速起振的晶体振荡器。2.根据权利要求1所述一种晶体振荡器快速起振方法，其特征在于: 所述步骤I)的晶体与第一电容并联，第一电容作为晶体负载电容，与晶体构成谐振回路。3.根据权利要求1所述一种晶体振荡器快速起振方法，其特征在于: 所述步骤2)中的主振环路包括放大器和第一受控电流源，第一受控电流源输出电流在晶体与负载电容的谐振回路上产生电压信号VI，该电压信号反馈输入到放大器，构成主振环路。4.根据权利要求1所述一种晶体振荡器快速起振方法，其特征在于: 所述步骤3)中的补偿环路包括放大器和第二受控电流源，第二受控电流源输出电流在第二电容上产生电压信号V2，该电压信号V2反馈输入到放大器，构成补偿环路。5.根据权利要求1所述一种晶体振荡器快速起振方法，其特征在于: 所述步骤4)的共用放大器用差分放大器OTA实现，其正极性输入接到主振环路在第一电容上的电压Vl，其负极性输入接到补偿环路在第二电容上的电压V2，其正极性输出控制第一受控电流源，产生电流Il=gl*(Vl-V2)，其负极性输出控制第二受控电流源，产生电流I2=g2*(V2-Vl)。6.根据权利要求1所述一种晶体振荡器快速起振方法，其特征在于: 所述步骤4)的两个环路交互作用，主振环路的电路构造使得其在晶体和第一电容上形成正反馈，是驱动晶体振荡的主体电路;补偿环路的电路构造使得其变成一个电压跟随器，输入为电压VI，第二电容上的电压V2跟随电压Vl变化，变化速度取决于补偿环路增益g2和第二电容;主振环路通过差分输入中的负极性输入引入补偿环路，负极性引入的效果是在主振环路的输出上并联相反的输出电流，即相当于在输出端并联上一个电压、电流关系为电容特性，且电流方向相反的器件，这就相当于并联了一个负电容，它具有减小和抵消第一电容的作用;这样通过两个环路的相互作用构成了一种具有电容补偿效应的晶体振荡器。7.根据权利要求1所述的一种晶体振荡器快速起振方法，其特征在于: 所述步骤5)加大正反馈增益的同时，还需要配合电路参数调整，保证直流工作点稳定的同时，取得最佳补偿效果;最佳补偿参数是C2/g2=Cl/gl。8.根据权利要求2所述的谐振回路，其特征在于: 谐振回路一端接地，另一端接到主振回路的受控电流源输出，主振环路在谐振回路上进行充放电；第一电容与晶体并联，其设计值Cl’不包括晶体自身并联等效电容、振荡电路晶体管脚封装电容、内部放大器寄生电容，所述第一电容是所述设计值Cl’，与晶体自身并联等效电容、振荡电路晶体管脚封装电容、内部放大器寄生电容的总和。9.根据权利要求1一种晶体振荡器快速起振方法，其特征在于: 为了保证两个环路的直流工作点稳定，需要合理设置电路参数，保持Cl/gl 2 C2/g2，这里gl和g2分别是主振环路和补偿环路的跨导放大增益。10.根据权利要求1一种晶体振荡器快速起振方法，其特征在于: 所述晶体振荡器允许与工作电流偏置电路、偏置电压设定电路、幅度检测和幅度控制电路、起振期与稳定期区分电路、起振期加大增益电路、稳定期减小功耗电路、起振期外加脉冲激励电路中一种或多种配合工作。
【文档编号】H03L3/00GK105871369SQ201510707808
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年10月23日
【发明人】郑卫国, 赵娜如
【申请人】华南理工大学