晶体振荡器电路的制作方法

本文的实施例涉及晶体振荡器电路。特别地，本文的实施例涉及将用于放大器的供电电压与该晶体振荡器电路中的石英晶体的驱动电平(drivelevel)匹配，以及包括该晶体振荡器电路的电子设备。

背景技术：

晶体振荡器电路包括具有放大器或增益元件和晶体的反馈网络。历史上这两个构件都是由专门从事频率控制产品的公司设计和制造的。然而，随着独立公司设计和制造晶体和放大器，这种模式已经发生了变化。这就在匹配放大器或增益元件与晶体方面产生了问题。

具有良好功能的晶体振荡器的一个重要因素是放大器的供电电压应至少大致匹配石英晶体的驱动电平，否则晶体将会在达到目标频率方面有问题并经历加速老化。在现有技术中解释了不同的解决方案，以使供电电压与晶体的驱动电平相匹配，并且供应商经常推荐的解决方案是使用所谓的皮尔斯(pierce)振荡器电路，其中增加了阻尼电阻器。阻尼电阻确实会阻尼晶体的供电电压。然而，它也会影响晶体的振荡能力。即，振荡余量(oscillationmargin)将减小，并且在某些情况下意味着晶体根本不会开始振荡。

技术实现要素：

鉴于上述情况，本文的实施例的目的是提供一种用于使供电电压与晶体振荡器电路中的晶体的驱动电平匹配的技术。

根据本文实施例的一个方面，该目的通过一种晶体振荡器电路实现。所述晶体振荡器电路包括：具有输入和输出的反相放大器；以及具有连接到反相放大器的输入的第一端和连接到反相放大器的输出的第二端的反馈电阻器。

晶体振荡器电路还包括：具有第一端和第二端的石英晶体；连接在石英晶体的第一端和信号地之间的第一负载电容器；连接在石英晶体的第二端和信号地之间的第二负载电容器。

晶体振荡器电路还包括连接在反馈电阻器的第二端和石英晶体的第二端之间的第三电容器。根据等式选择第三电容器的电容cd，其中cl是第一和第二负载电容器的等效电容，k是阻尼因子。以这种方式，到反相放大器的供电电压以阻尼因子k在石英晶体的第二端处被衰减，并因此与石英晶体的驱动电平相匹配。

根据本文实施例的一个方面，通过使用上述用于将反相放大器的供电电压与石英晶体的驱动电平相匹配的晶体振荡器电路来实现该目的。

根据本文实施例的一个方面，该目的通过一种用于将反相放大器的供电电压与晶体振荡器电路中的石英晶体的驱动电平匹配的方法来实现。晶体振荡器电路包括：具有输入和输出的反相放大器；以及具有连接到反相放大器的输入的第一端和连接到反相放大器的输出的第二端的反馈电阻器。晶体振荡器电路还包括：具有第一端和第二端的石英晶体；连接在石英晶体的第一端和信号地之间的第一负载电容器；连接在石英晶体的第二端和信号地之间的第二负载电容器。该方法包括在反馈电阻器的第二端和石英晶体的第二端之间连接第三电容器，并根据等式选择第三电容器的电容cd，其中cl是第一和第二负载电容器的等效电容，k是阻尼因子。以这种方式，反相放大器的供电电压在石英晶体的第二端以阻尼因子k被衰减，以与石英晶体的驱动电平相匹配。

用于使供电电压与晶体振荡器电路中的晶体的驱动电平匹配的技术基于进一步包括电容器cd的皮尔斯振荡器电路。电容器cd与负载电容器一起用作电容分压器，并且可以选择该电容器的电容以降低供电电压以匹配晶体振荡器的驱动电平而不影响晶体的振荡余量。

当需要以2或更大的因子降低晶体的驱动电平时，根据本文实施例的晶体振荡器电路特别有用。也就是说，失配(mismatch)非常大并且意味着使用现有技术中描述的替代方法将需要很大电阻。

根据本文实施例的匹配方法特别适合于但不限于以下情况：

·采用物理上小的石英晶体的振荡器电路，其中要求低驱动电平，典型地<400uw；

·具有高供电电压(例如大于1.5v)的振荡器电路；

·使用具有高电压增益的反相放大器的振荡器电路，例如具有轨到轨摆动的方波输出电压的缓冲逆变器；

·振荡器电路，其中减小石英晶体负载电容cl会导致不可接受的频率牵引灵敏度；

·振荡器电路，其中增加阻尼电阻器会导致严重减小的振荡余量，例如当石英晶体的并联电容很高，典型地大于1pf，时；

·振荡器电路，其中反相放大器的跨导是未知的并且因此不希望引入将减小振荡余量的额外电阻阻尼；

·振荡器电路，其中增加阻尼电阻器仅对降低驱动电平有轻微影响，即所需的阻尼电阻太高。

因此，本文的实施例提供了一种用于使供电电压与晶体振荡器电路中的晶体的驱动电平匹配的技术。

附图说明

将参考附图更详细地描述实施例的示例，其中：

图1是示出根据现有技术的皮尔斯振荡器电路的示意框图；

图2是示出晶体的等效电路的示意图；

图3是示出晶体振荡器电路的负电阻模型的示意框图；

图4是示出根据本文实施例的振荡器电路的示意框图；

图5是用于匹配晶体的驱动电平的方法的流程图；以及

图6是示出在其中可以实施根据本文的实施例的振荡器电路的电子设备的框图。

具体实施方式

作为本文开发实施例的一部分，首先将讨论和识别根据现有技术的具有阻尼电阻器的皮尔斯振荡器电路的功能、原理和一些问题。

图1示出了皮尔斯振荡器电路100的简化示意图。皮尔斯振荡器电路100包括晶体q、反馈电阻器rf、反相器或反相放大器inv、第一和第二负载电容器c1和c2、以及阻尼电阻器rd，其中vdd是反相放大器inv的供电电压，gm是反相放大器inv的跨导增益，单位为ma/v。

反馈电阻器rf在反相放大器inv中的晶体管的线性区域中提供偏置点，其接近vdd/2。rf的典型值约为1mω。rf可以嵌入在振荡器电路中。反馈电阻器rf将具有逻辑门(logicgate)的反相器inv变换为模拟放大器。

选择负载电容器的值，c1和c2，使其串联组合等于cl。典型地，选择c1和c2略小于2·cl以考虑杂散电容cs。电容器类型应具有低温度系数和低容差，例如5％。

其中

cs是总杂散电容，主要来自逆变器的输入和输出焊盘(pad)电容。

皮尔斯振荡器电路100的理想特性是杂散电容cs1和cs2的影响分别出现在c1和c2上，而不是出现在晶体电容c0上。

图2示出了晶体的等效电路。组件lm、cm和rm称为运动臂并表示晶体的机械行为。

如果忽略rm，晶体的阻抗是

图3示出了晶体振荡器电路的负电阻模型，该模型可用于相对于cl和c0优化gm，以实现最大振荡余量。负电阻模型中的振荡条件是：

-rneg＝rm，即负电阻的绝对值等于运动臂的电阻；

-xosc＝xm，即无功部分(reactivepart)，即有源(active)振荡器网络的电容部分和运动臂的无功部分必须抵消。

给定gm的振荡余量可以表示为电阻rs，并表示为

rs＝|rneg|-(rd+5re)等式(2)

其中re是任何负载电容cl下的晶体的有效电阻，其可以定义为

运动电阻rm可以在启动时达到5rm，因此有效电阻re也可以达到5re。当检查晶体振荡器电路的振荡余量时，可以添加与晶体串联的电阻并检查振荡是否停止。因此，rs对应于在振荡停止之前可以与晶体串联添加的最大电阻。

负电阻，即围绕环路(loop)的增益，是gm、c1、c2和c0的函数。对于gm_min或gm_max，将出现rneg_min。c1、c2和c0是有源网络的一部分。

当c0增加时，负电阻的最大可实现绝对值下降，这可以从以下等式中看出：

可以使用以下等式确定晶体的驱动电平：

px＝re·i²

任何负载电容下晶体的有效电阻为

其中rm是晶体的电阻，i是通过晶体的电流，可以定义为

则

px＝re·(vω·c1)²

其中v是c1两端电压的ac分量的均方根(rms)值。

在共振时，运动臂的电抗部分变为感应的(inductive)并且与cl+c0平行共振。然后，通过晶体的电流i也可以表示为

其中vp是晶体上的峰值电压，其给出了

无缓冲逆变器的电压增益可达数百。缓冲逆变器的电压增益在几千的范围内。

对于晶体消耗的功率的粗略近似值，估计当反相放大器输出端的电压xout为方波时，即缓冲反相器的输出电压轨到轨摆动，具有接近vdd的峰值-峰值电压摆幅，它在晶体上大约有一个正弦波，峰值电压vp＝vdd。

对于带有无缓冲逆变器或具有幅度限制控制的振荡器，或在可以测量时，则在计算驱动电平时应使用晶体上获得的最大电压幅度。对于反相放大器输出端的电压xout为正弦波时晶体消耗的功率的粗略近似值，可以假设晶体上存在峰值电压的正弦波。

从等式(4)可以看出，为了降低驱动电平，可以减小re、cl和/或vp。rm由晶体的尺寸给出。较大的晶体将具有较低的rm但也具有较高的c0。较低的cl将降低驱动电平，但它也将导致更高的牵引灵敏度，即每个负载电容变化的频率变化。应该选择cl以便最大化晶体振荡器电路的有源网络可以提供的负电阻rneg。

因此，可能需要降低vp以降低驱动电平。降低vp的一种方法是降低vdd。现有技术中经常提出的一种方法是增加串行阻尼电阻器rd，其值为：

在xout处具有等于vdd的峰峰值电压摆幅的方波将在阻尼电阻器rd的另一侧出现为正弦波，其峰峰值电压摆幅等于vdd的90％，即

然而，阻尼电阻器rd将直接减小振荡余量，如公式(2)所示。

为了解决上述问题，可以通过添加根据本文实施例的具有电容cd的阻尼电容器来降低驱动电平。以这种方式，c2和阻尼电容器形成电容分压器，其直接降低vp，表示为

vp＝k·vdd

其中是阻尼因子。

假设没有阻尼的驱动电平是p1并且目标驱动电平是pt，那么

pt＝k²·p1

阻尼电容器的电容由下式给出

图4示出了根据本文实施例的晶体振荡器电路400。晶体振荡器电路400包括：具有输入411和输出412的反相放大器410；具有连接到反相放大器410的输入的第一端421以及连接到反相放大器410的输出的第二端422的反馈电阻器420；具有第一端431和第二端432的石英晶体430；连接在石英晶体430的第一端431和信号地gnd之间的第一负载电容器c1；连接在石英晶体430的第二端432和信号地gnd之间的第二负载电容器c2；连接在反馈电阻器420的第二端422和石英晶体430的第二端432之间的第三电容器440。

根据等式选择第三电容器440的电容cd，其中cl是第一和第二负载电容器的等效电容，k是阻尼因子，使得反相放大器410的供电电压在石英晶体430的第二端432处以阻尼因子k衰减，以匹配石英晶体430的驱动电平。驱动电平通常在产品规范中给出，它表示晶体在振荡电路工作时的功耗。保持在驱动电平规格范围内对于晶体是重要的。因此，晶体处的供电电压应处于适当的水平，以便晶体的功耗不应超过晶体规范中规定的驱动电平。

图5示出了用于将反相放大器的供电电压与晶体振荡器电路400中的石英晶体的驱动电平匹配的方法的流程图。该方法包括在反馈电阻器的第二端和石英晶体的第二端之间连接501第三电容器。

该方法还包括根据等式选择502第三电容器的电容cd，其中是第一和第二负载电容器的等效电容，k是阻尼因子，使得反相放大器的供电电压在石英晶体的第二端处以阻尼因子k衰减，以匹配石英晶体的驱动电平。

为了说明根据本文的实施例添加阻尼电容器的优点，研究了一些不同晶体。典型地，这些晶体的最大驱动电平规定为200-300uw，具体取决于制造商。根据数据表，不同晶体的最大分流电容c0_max规定在1-3pf的范围内。典型的分流电容c0_typ在0.5-1pf的范围内。下面给出一个示例。

示例1：vdd＝3.3v,f＝24mhz,cl＝10pf,c0_typ＝0.57pf,c0_max＝1.0pf,rm_max＝80ω

可以根据等式(3)计算晶体的有效电阻：

re_max＝re(rm_max,cl,c0_typ)＝89.4ω

根据等式(4)的驱动电平：

p1＝px(re_max,f,cl,c0_typ,vdd)＝1.2mw>300uw

可以看出，该晶体的驱动电平太高，必须减少。问题主要是由高供电电压引起的。

如果减小负载电容，即cl＝8pf，则驱动电平为：

p1＝px(re_max,f,cl,c0_typ,vdd)＝835uw

该晶体的驱动电平现在较低，因为cl已经降低，但其仍然太高并且必须进一步降低。

假设目标驱动电平为pt＝280uw,pt＝k²·p1其中k是所需的电压阻尼因子。

则阻尼电容器是

示例2：vdd＝1.8v,f＝50mhz,cl＝8pf,c0_typ＝1pf,c0_max＝3pf,rm_max＝50ω

可以根据等式(3)计算晶体的有效电阻：

re_max＝re(rm_max,cl,c0_typ)＝63ω

以及根据等式(4)计算驱动电平：

p1＝px(re_max,f,cl,c0_typ,vdd)＝1.2mw>200uw

可以看出，该晶体的驱动电平太高，必须减少。问题主要是由高供电电压引起的。

假设目标驱动电平为pt＝180uw,pt＝k²·p1，其中k是所需的电压阻尼因子。

则阻尼电容器是

已经对上述示例的晶体振荡器电路进行了一些测量，并且测量的驱动电平接近估计的驱动电平，同时保持负电阻。

当失配非常大时，根据本文的实施例的用于将反相放大器的供电电压与石英晶体的驱动电平匹配的方法特别有用。反相放大器的供电电压与石英晶体的驱动电平的大的失配意味着根据现有技术的解决方案将需要大的电阻，这也将严重地降低振荡余量。例如，当需要将驱动电平降低2倍或更多，即p1＞2·pt时，其中没有阻尼的驱动电平是p1并且目标驱动电平是pt。

为了避免石英晶体的频率精度问题和加速老化，所估计的功耗px应小于石英晶体数据表中规定的最大驱动电平(dl)。

所以目标是

这使

对于具有方波输出的逆变器，即具有高电压增益的缓冲逆变器，例如1000x，该方法在以下情况特别有用：

对于具有正弦波输出的逆变器，即具有低电压增益的无缓冲逆变器，例如100x，这个方法在以下情况特别有用：

因此，根据本文的一些实施例，当反相放大器是缓冲反相器并且来自反相放大器的输出电压是方波时，典型的阻尼因子可以是或甚至k＜1/2。

当来自反相放大器的输出电压是正弦波时，典型的阻尼因子可以是

尽管在一些现有技术中，在与阻尼电容器cd相同的位置处连接有电容器，但是它具有不同的功能。例如，在cn104052465，图5中，电容器cs用于相位补偿以满足零相移。在“hcmos晶体振荡器(hcmoscrystaloscillators)”，仙童半导体应用说明340(fairchildsemiconductorapplicationnote340)，1983年5月，建议当振荡器工作在高频率时，例如在4mhz以上时，阻尼电阻器r2应改为小电容器，以避免r2的附加相移。该电容器的值约为1/ωc但不小于约20pf。

因此，与现有技术相比，根据本文的实施例的阻尼电容器的功能和目的存在显著差异。

总之，根据本文的实施例的用于使供电电压与晶体振荡器电路中的晶体的驱动电平匹配的技术基于还包括阻尼电容器cd的皮尔斯振荡器电路。电容器cd与负载电容器一起用作电容分压器，并且可以选择该电容器的电容以降低供电电压以匹配晶体振荡器的驱动电平而不影响晶体振荡器电路的振荡余量。

当需要以2或更大的因子降低将晶体的驱动电平时，根据本文实施例的晶体振荡器电路特别有用。也就是说，失配非常大并且意味着通过使用现有技术中描述的阻尼电阻器将需要大的电阻，这可能导致大的相移、较低的振荡余量，或者甚至可能不会启动振荡。

根据本文实施例的匹配方法特别适合以下情况但不限于以下情况：

·采用物理上小的石英晶体的振荡器电路，其中要求低驱动电平，典型地<400uw；

·具有高供电电压(例如大于1.5v)的振荡器电路；

·使用具有高电压增益的反相放大器的振荡器电路，例如具有轨到轨摆动的方波输出电压的缓冲逆变器；

·振荡器电路，其中减小石英晶体负载电容cl会导致不可接受的频率牵引灵敏度；

·振荡器电路，其中增加阻尼电阻器会导致严重减小的振荡余量,例如当石英晶体的并联电容很高时，典型地大于1pf。这是因为振荡余量很小，加上电阻分压器会影响晶体的振荡；

·振荡器电路，其中反相放大器的跨导是未知的并且因此不希望引入将减小振荡余量的附加电阻阻尼；

·振荡器电路，其中增加阻尼电阻器仅对降低驱动电平有轻微影响，即所需的阻尼电阻太高。

根据本文的实施例的晶体振荡器电路400及方法，其用于将反相放大器的供电电压与石英晶体的驱动电平匹配，适用于需要时钟信号的任何电子设备。图6示出了电子设备600，其中可以实施根据本文实施例的晶体振荡器电路400。电子设备600还可以包括用于信息存储和信号处理的处理单元620、用于存储数据、配置、程序代码等的存储器640。电子设备600可以是发送器、接收器、收发器、频率合成器、无线通信设备、无线数据获取设备、诸如监控相机或网络视频记录器的相机、家庭自动化设备、数据记录器、视频编码器、物理访问控制器或门站中的任何一个。

当使用词语“包含”或“包括”时，它应被解释为非限制性的，即意味着“至少包括”。

本文的实施例不限于上述优选实施例。可以使用各种替代、修改和等同物。因此，上述实施例不应视为限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求限定。