用于促进晶体振荡器启动时间的电路和方法与流程

本专利文件要求2017年12月25日提交的美国非临时专利申请号为15/853,942、发明名称为“用于促进晶体振荡器启动时间的电路和方法”的优先权和权益。上述专利申请的全部内容通过引用并入本专利文件的公开内容的一部分。

本文的实施例一般涉及促进电路中晶体振荡器的启动。

背景技术：

各种类型的振荡器通常用于提供电子电路中使用的参考信号。这些振荡器的压电特性使其成为电子电路中的频率决定元件。当电压施加到晶体附近的电极或晶体上的电极时，晶体振荡器，特别是由石英晶体制成的晶体振荡器，通过电场使其变形而工作。该特性称为电致伸缩或逆压电。当电场被移除时，以精确的频率进行振荡的石英在恢复到其之前的形状时产生电场，从而可以产生电压。

通常，晶体振荡电路包括晶体振荡器、反相器和电容器，反相器与该晶体振荡器并联，电容器耦合到该反相器的输入端和输出端以及接地。为了节省电力，晶体振荡电路包括启用/停用机构。可以通过注入由噪声和/或瞬态电源响应组成的能量来启动晶体振荡器。晶体振荡器的启动时间通常由导通时的噪声或瞬态条件、由于负电阻引起的小信号的包络扩展、以及大信号的振幅限制所决定。

已知的是，晶体电阻不是恒定不变的，通常启动时的晶体电阻比在稳定状态进行振荡的晶体电阻更高。晶体电阻与振荡器的q因子有关，这决定了施加在晶体上使其保持相同的振幅的进行振荡的功率的大小。随着电阻减小，消耗的功率大小随之减少。晶体电阻的变化导致在启动时使用的功率大于实现稳定状态操作中最佳噪声性能所需的功率。然而，降低功率以实现稳定状态下的最佳噪声性能，增加了晶体振荡器从启动到达稳定状态的时间量。

常见的启动晶体振荡器方法是在开始时注入高能量，然后使扩展更快以达到所需频率。利用这种方法，大量能量被用于启动晶体振荡器。通过这种方法，对于振荡约为26mhz的晶体，晶体振荡器的启动时间可以在500-600us之间。然而，在电源受限的情境下，这种方法的效果不佳。

另一种常见方法是在启动时将噪声注入晶体元件的振荡中。通常，在晶体元件的振荡期间，优选一定量的相位噪声。已经提出了各种在晶体元件的启动时注入噪声的技术。

技术实现要素：

实施例可以提供在晶体振荡器的启动期间噪声注入的个性化控制。由于各个晶体元件在诸如电容、老化等物理特性方面是不同的，因此不同晶体振荡器的启动时间可能不同。在一些实施例中，可以将简单学习块与晶体振荡电路并联放置，以在晶体振荡器的启动期间控制噪声注入。学习块可以用于通过确定晶体振荡器是否已经稳定在晶体振荡器启动期间控制噪声注入。

在一些实施例中，学习块可包括计数器、缓冲器、确定器和/或任何其他组件。确定器可以用于确定对于给定的启动周期晶体振荡器是否已经达到预期频率(稳定的频率)。计数器可以用于对晶体振荡器达到预期频率所需的时钟周期数进行计数，缓冲器可用于存储指示所计数的时钟周期数的计数，其可以通过用于去激活噪声注入的停用机构来进行读取。

在一些实施例中，可以采用调整块，以基于晶体振荡器的一个或多个特性，在晶体振荡器启动期间，调整由学习块确定的计数。调整块可包括调整确定器、调整器和/或任何其他组件。调整确定器可以用于确定使晶体元件稳定的时钟周期的调整。调整器可以用于基于由调整确定器确定的调整对计数进行调整。

在一些实施例中，产生负电容(negativecapacitance，cneg)的简单块可以与晶体振荡器并联。cneg可以是浮动负电阻，并且可以用于抵消晶体振荡器的分流电阻。在这些实施例中，cneg电路仅可以在晶体振荡器的启动时间内使用，使得晶体振荡器一旦稳定，cneg电路就断开，以避免频移。在一些实施例中，cneg电路可以用于生成负阻抗以抵消晶体元件的阻抗，该负阻抗包括负电阻和电容的组合。

基于以下附图和具体实施方式，本公开的其他对象和优点对于本领域技术人员而言是显而易见的。

附图说明

图1示出了根据现有技术的示例振荡电路。

图2a示出了与图1所示的示例振荡电路连接的学习块。

图2b示出了图2a所示的学习块的一个示例。

图3a示出了与图1所示的振荡电路以及图2a所示的学习块连接的调整块。

图3b示出了图3a所示的调整块的一个示例。

图4示出了产生负阻抗以抵消图1所示的振荡电路的负阻抗的电路的示例。

图5示出了根据本公开的用于控制振荡电路的启动的示例性方法500。

具体实施方式

在以下描述中，将描述各种实施例。为了解释的目的，将阐述具体配置和细节以提供对实施例的彻底理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在没有具体细节的情况下也可以实践这些实施例。此外，为了不混淆描述的实施例，可省略或简化公知特征。

通常在如图1所示的振荡电路100中形成晶体振荡器。如图所示，振荡电路100可包括晶体元件102、cmos反相器104、稳定电容器106、另一稳定电容器108、晶体管114和/或任何其他组件。在该实施例中，晶体元件102与高增益cmos反相器104并联。稳定电容器106和108接地并且分别连接到反相器104的输入端110以及输出端112。在操作中，当电路的电源电压vcc导通时，晶体管114导通，在反相器的输出端112处产生电压vout；然后，vout为稳定电容器108充电并在晶体元件102处产生电压，使其开始以低振幅进行振荡。这会在反相器104的输入端110处产生电压vin，并会为稳定电容器106充电。增加的电压vin慢慢的使反相器104移动至其高增益区域，从而使得晶体元件102的振荡幅度增加。噪声产生器202可以用于生成一定量的噪声并且在启动期间将噪声注入到晶体元件102的振荡中。

图2a示出了可以与振荡电路100连接的学习块200。学习块200可以用于对在给定的启动期间晶体元件102至其稳定的时钟周期数进行计数。然后，该计数可用于在给定的启动之后的下一次启动期间控制对晶体元件102的噪声注入。本发明人提供的一个见解是每个晶体元件102可以具有独有的一组物理特性，例如电容、老化、温度等。这些特性可能影响晶体元件102的启动时间。即不同晶体元件102可具有不同的至其稳定的启动时间。传统上，根据多个晶体元件中的最差情况，控制在启动时间期间晶体元件102的噪声注入。例如，制造商可以在实验室中测量制造商制造的不同晶体振荡器的启动时间。然后根据测量的这些晶体振荡器的最长启动时间，控制振荡电路100的噪声注入。尽管在某些情况下，不同晶体振荡器之间的启动时间变化可能不是非常显著，但因为一些晶体振荡器并不会花费测量的最长启动时间达到稳定，这会导致效率低下。

作为改进，学习块200可以与振荡电路100并联放置，用于在单芯片基础上通过噪声产生器202控制噪声注入。如图所示，学习块200可以用于接收来自振荡电路100的信号作为输入。接收的信号可以包括指示晶体元件102当前具有的振荡电平的信息。基于该信号，学习块200可以确定晶体元件102是否已达到预定的振荡电平(例如，稳定时的振荡电平)。例如，当接收的信号指示晶体元件刚刚被启动时，学习块200可以用于将计数重置为0，并且开始增加内部计数器的计数。当接收的信号指示晶体元件102的振荡电平已达到预定的振荡电平时，学习块200可用于中止计数器并将该启动所计数的时钟周期数存储到缓冲器中。停用机构204可以使用该计数，以控制晶体元件102的下次启动的噪声注入。

图2b示出了根据本公开的学习块200的一个示例。如图所示，学习块200可以包括确定器206、计数器208、缓冲器210和/或任何其他组件。确定器206可以用于接收来自振荡电路100的信号。如上所述，该信号可以指示晶体元件102的当前振荡电平。确定器206可以用于读取晶体元件102的预定的振荡电平，例如，从缓冲器210读取。确定器206可以用于将晶体元件102的当前振荡电平与预定的振荡电平进行比较，以确定晶体元件102是否已达到预定的振荡电平。确定器206可以用于生成指令，以使计数器208将计数重置为0，并且当接收的信号指示晶体元件102的当前振荡电平等于0或略高于0时，使计数器208开始增加计数(按时钟周期)。确定器206可以用于生成指令，以使当确定晶体元件102已达到预定的振荡电平时，计数器停止对时钟周期进行计数。

计数器208可以用于基于来自确定器206的上述指令，开始和停止逐个对时钟周期进行计数。一旦停止，计数器208可以用于将所计数的时钟周期数存储到缓冲器210中。如图所示，缓冲器210可以连接到停用机构204，在一些示例中，停用机构204可以包括三态缓冲器。停用机构204可以用于控制噪声产生器202的噪声注入的去激活。例如，如果由确定器206确定的计数是200个时钟周期，则停用机构204可以用于读取该计数，并在晶体元件102的当前启动达到200个时钟周期之后，去激活噪声产生器202的噪声注入。

在一些实施例中，确定器206可以被配置为考虑停用机构204去激活噪声注入可能需要的前置时间。例如，确定器206可以确定在晶体元件102的当前启动期间，晶体元件102需要150个时钟周期达到稳定。确定器206可以配置有前置时间因子(例如，5个时钟周期)，使得当存储在缓冲器210中时，基于该前置时间因子，晶体元件102达到稳定的时钟周期的计数减少了(例如，150-5＝145个时钟周期)。这样，当停用机构204读取存储在缓冲器210中的计数时，该存储的计数已根据前置时间因子进行了调整。

在一些实施例中，调整块300可以用于调整通过停用机构204从缓冲器210读取的计数。如上所述，从停用机构204的角度，存储在缓冲器210中的计数可以指示在前一次启动期间晶体元件102达到稳定的时钟周期的计数。然后，停用机构204使用该计数，以控制在晶体元件102的当前启动期间噪声注入的去激活。在该实施例中，调整块300可用于基于如温度、老化等的某些因素来调整(例如，微调)计数，这些因素可能影响在不同启动之间晶体元件102达到稳定的时长。

图3a示出了可以与振荡电路100和学习块200连接的调整块300的一个示例。调整块300可以用于从学习块200读取计数。调整块300可以用于接收来自振荡电路100的信号，例如，指示晶体元件102的温度的信号。调整块300可以用于基于从振荡电路100接收的信号确定对计数的调整，并获得调整的计数。该调整的计数可以存储到学习块200的缓冲器210中，以在下一次启动中使用。该调整的计数可以被发送到停用机构204，用于控制当前启动的噪声注入的去激活。

图3b示出了根据本公开的调整块300的一个示例。如图所示，调整块300可包括调整确定器302、调整器304和/或任何其他组件。调整确定器302可以用于接收来自振荡电路100的信号。该信号可以指示当前启动时关于晶体元件102的特性，例如温度。调整确定器302可以用于确定使晶体元件稳定的时钟周期的调整。例如，调整确定器302可以用于基于在当前启动期间测量的晶体元件102的温度，确定当前启动需要5个时钟周期的调整。该调整可以考虑当前启动期间可能影响晶体元件102的稳定时长的因素。在一些实施例中，调整确定器302可以用于存储晶体元件102的历史特性，例如其随时间变化的温度。在这些实施例中，调整确定器302可以比较存储的历史特征，并基于该比较确定对计数的调整。

调整器304可以用于读取存储在缓冲器210中的计数，并基于调整确定器302确定的调整来对计数进行调整。例如，调整确定器302可以基于晶体元件102的测量温度确定对计数的调整是-5个时钟周期；且计数是120个时钟周期。在这种情况下，调整器304可以将计数调整为115个时钟周期。同样如图所示，可以将调整的计数提取到停用机构204，用于控制噪声注入的去激活。在一些实施例中，该调整的计数也可以存储到缓冲器210中以供下次使用。

图4示出了一些实施例中晶体元件102可以并联连接到cneg电路406的简单框图。如图所示，晶体元件102可以被模拟为cshunt402和动态支臂404。cshunt402可以影响晶体元件102的启动时间，并且是降低来自晶体元件102的负电阻的主要因素。cneg电路406可以用于生成负电容，以抵消晶体元件102的cshunt402。在这些实施例中，cneg电路406生成的负电容可以是约为4pf的浮动负电阻。在一些实施例中，cneg电路406可以仅在晶体振荡器的启动时间期间使用，使得晶体振荡器一旦稳定，cneg电路406就断开，以避免频移。在一些实施例中，cneg电路406可以用于生成负阻抗以抵消晶体元件102的阻抗，该负阻抗包括负电阻和电容的组合。

现在参见图5，其示出了根据本公开用于控制振荡电路的启动的示例性方法500。图5中描绘的特定的一系列的处理步骤并非旨在限定。应当理解，处理步骤可以以与图5描述的顺序不同的顺序执行，并且不需要执行图5中描述的所有步骤。

在一些实施例中，方法500中描述的方法可以在一个或多个处理设备中实现(例如，数字处理器、模拟处理器、设计用于处理信息的数字电路、设计用于处理信息的模拟电路、状态机和/或用于电子处理信息的其他机构)。一个或多个处理设备可以包括响应于以电子方式存储在电子存储介质上的指令而执行方法500的一些或全部操作的一个或多个设备。一个或多个处理设备可以包括通过硬件、固件和/或软件被配置成专门设计用于执行方法500的一个或多个操作的一个或多个设备。

在502处，可以从振荡电路接收信号。该信号可以指示振荡电路的晶体元件的振荡电平。在一些实施例中，502中涉及的操作可以由与本文描述和示出的学习块200相同或基本相似的学习块来实现。

在504处，可以根据在502处接收的信号确定晶体元件的当前振荡电平是否等于0或略高于0。当确定晶体元件的当前振荡电平等于0或略高于0时，可以开始计数。在一些实施例中，504中涉及的操作可以由与本文描述和示出的学习块200相同或基本相似的学习块来实现。

在506和508处，可以根据在502处接收的信号确定在504处确定的晶体元件的当前振荡电平是否已达到目标振荡电平。当确定晶体元件的当前振荡电平已达到目标振荡电平时，可以停止计数，并且可以将计数值存储到缓冲器中。在一些实施例中，506和508中涉及的操作可以由与本文描述和示出的学习块200相同或基本相似的学习块来实现。

在510处，可以将存储在缓冲器中的计数提取到停用机构，用于控制对振荡电路的噪声注入的去激活。在一些实施例中，510中涉及的操作可以由与本文描述和示出的学习块200相同或基本相似的学习块来实现。

因此，说明书和附图认为是示例性的而非限定性的。然而，显而易见的是，可以在不脱离所附权利要求所阐述的本公开的更广泛的精神和范围的情况下对其进行各种修改和改变。

其它变化也属于本公开的精神范围之内。因此，尽管公开的技术可以容许各种修改和替换结构，但特定的示意性实施例仍在附图中示出并在上文中进行了详细说明。然而，应该理解的是，本公开并不限于特定的形式或者所公开的形式，而是相反，旨在涵盖落入本公开的精神和范围内的所有修改、可替换结构和等同物，如所附的权利要求所限定。

在描述所公开的实施例的上下文中(特别是在上述权利要求书的上下文中)所使用的术语“一”、“一个”、“所述”以及类似的指示语均应解释为涵盖了单数和复数，除非文中有相反表示或者与上下文明显矛盾。除非有相反说明，否则术语“包括(comprising)”、“具有(having)”、“包括(including)”、和“包含(containing)”应被解释为开放式用语(即，意思是“包括但不限于”)。术语“连接”应解释为部分或全部包含在内、连接于或连接在一起，即使会有一些物件介于其间。本文中所引用的数值范围仅旨在作为单独引用落入该范围内的各个离散数值的一种简略方法，除非文中有相反表示，否则各个离散数值均包含在该说明书中，如同其在文中是被单独引用一样。除非文中另有相反表示或者上下文明显矛盾，否则本文描述的所有方法可以任何合适的顺序实施。除非有相反的声明，否则所使用的任何或所有示例，或者文中所使用的示例性语言(如“例如”)仅旨在更好地说明本公开的实施例，而非限定本公开的范围。说明书中的任何语言均不应被解释为是表示任一未在权利要求中要求的部件是实施本公开的必要部件。

除非另有具体说明，否则析取性用语(disjunctivelanguage)，如短语“x，y或z中的至少一个”在上下文中要如通常所使用的进行理解，以表示项、术语等可以是x、y或z，或其任意组合(例如，x、y和/或z)。因此，这样的析取性用语通常并不旨在且不应当暗示某些实施例需要至少一个x、至少一个y、或至少一个z三者均存在。

本文描述了本公开的各种实施例，包括本发明人所知的实施本公开的最佳方式。通过阅读上述说明书，本领域普通技术人员显然能够想到这些优选实施例的变型方式。本发明人期望技术人员会采用这些适当的变型方式，并且本发明人同样希望以本文中具体描述的方式以外的方式来实施本公开。因此，本公开包括适用法律所允许的、所附权利要求的主题的所有的变型和等同物。此外，除非文中有相反表示或者与上下文明显矛盾，否则本公开包括上述部件的所有可能的变型的任意组合。