晶振驱动电路、控制器、空调控制系统及变频空调的制作方法

1.本技术涉及变频空调技术领域，尤其涉及一种晶振驱动电路、控制器、空调控制系统及变频空调。


背景技术：

2.作为芯片的心跳，时钟的精度和可靠性，直接影响芯片的可靠性及性能。晶体振荡器以其优越的精度性能和寿命优势，一直是芯片的时钟的主要来源。
3.但是随着行业的发展，芯片的应用范围日益广泛，其极限的工况要求亦日益严苛。传统晶体振荡器电路在极限电压、极限温度、极限湿度等条件下的可靠性非常难保证。
4.现有技术采用的是inv作为放大器来驱动外部晶体振荡器。使用恒定驱动能力的电流源为inv供电，并使用ota与基准实时监测晶体振荡器的振幅，最终实现驱动外部振荡器的同时兼具限幅功能。但是类似上述结构存在应用条件的限制，放大器inv的跨导gm来源于组成inv的mos器件，而mos器件一方面在工艺制造过程存在一致性偏差，另一方面在极限温度应用条件下，gm亦会产生较大偏移。因此在极限应用条件下，晶体振荡器容易停振。


技术实现要素：

5.本技术的主要目的在于克服上述现有技术的晶体振荡器容易停振的问题，提供一种能够提高晶振电路可靠性晶振驱动电路、控制器、空调控制系统及变频空调。
6.根据本技术的一个方面，提供了一种晶振驱动电路，包括电源、外围应用电路以及gm自反馈调节电路；所述电源产生基准电流输出到外围应用电路的放大器，所述gm自反馈调节电路产生额外一路随晶体振荡幅度变化的补偿电流，补偿所述基准电流后驱动所述放大器。
7.可选的，所述gm自反馈调节电路包括耦合电容、第四mos管、滤波电路、电流镜像电路以及电压偏置电路；
8.所述反馈电容接晶振，晶振的振荡交流信号经过所述滤波电路和所述电压偏置电路传输至所述第四mos管的栅极，所述第四mos管的栅极电压随着振荡幅度变化，经过所述电流镜像电路的自调节，对所述gm自反馈调节电路的输出电流进行调节。
9.可选的，所述电流镜像电路包括第一mos管、第二mos管和第三mos管；所述第一mos管、第二mos管的电流输出端接所述第三mos管的电流输入端，所述第一mos管接所述第四mos管漏级，所述第三mos管源极接所述外围应用电路。
10.可选的，所述第一mos管、第二mos管以及第三mos管的镜像比例为1:1:1，流过所述第一mos管、第二mos管以及第三mos 管的电流比例为1:1:1。
11.可选的，所述滤波电路包括第一电阻和电容；所述第一电阻一端分别接所述第四mos管栅级和所述电容，另一端接所述耦合电容,用于将所述耦合电容接入的交流电压信号进行滤波和累积。
12.可选的，所述电压偏置电路包括第二电阻和第五mos管；所述第二电阻一端接第五
mos管栅极，另一端接入所述电流镜像电路构成电压自偏置，用于阻碍削弱所述耦合电容接入的交流电压信号的影响；所述电阻一端还接入所述滤波电路，用于将所述第五mos管的直流电压连通给所述第四mos管提供直流电压偏置。
13.可选的，所述电源的输出电流为i0，其中，i0＝iref；所述gm自反馈调节电路的输出电流为i1，i1＝k/r2，k＝2/(β*w/l)*(1-1/√k) 2
；其中，β为工艺参数，w和l分别为第四mos管和第五mos管的设计参数，k为第四mos管与第五mos管的个数比值。
14.可选的，所述放大器上驱动电流为id，id＝i1+iref。
15.可选的，所述放大器的跨导为gm；
16.其中，
17.可选的，所述外围应用电路还包括基准电流源模块，所述电源的电流输出端与所述基准电流源模块的电流输入端相连，所述基准电流源模块的电流输出端与所述放大器漏级相连。
18.可选的，所述晶振驱动电路还包括时钟翻译电路，所述时钟翻译电路接所述放大器漏级，将所述放大器漏级的信号输出。
19.根据本技术的另一方面，一种控制器，采用上述的晶振驱动电路。
20.根据本技术的另一方面，一种空调控制系统，包括上述的控制器。
21.根据本技术的另一方面，一种变频空调，包括上述的空调控制系统。
22.由上述技术方案可知，本技术的晶振驱动电路、控制器、空调控制系统及变频空调的优点和积极效果在于：
23.本技术提供的一种晶振驱动电路，采用外围应用电路结合gm自反馈调节电路来调节放大器的跨导gm，直到晶振顺利起振，从而大幅提高晶振电路的可靠性。
24.本技术提供的一种控制器，其有益效果与上述控制阀阀芯一致，在此不再赘述。
25.本技术提供的一种空调控制系统，其有益效果与上述控制器一致，在此不再赘述。
26.本技术提供的一种变频空调，其有益效果与上述空调控制系统一致，在此不再赘述。
附图说明
27.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1是根据一示例性实施方式示出的一种晶振驱动电路的第一种电路图；
30.图2是根据一示例性实施方式示出的一种晶振驱动电路的第二种电路图；
31.图3根据一示例性实施方式示出的一种晶振驱动电路的第三种电路图。
32.其中，附图标记说明如下：
33.100、外围应用电路；200、gm自反馈调节电路；210、滤波电路； 220、电流镜像电路；230、电压偏置电路；300、时钟翻译电路；4、基准电流源模块；5、晶振。
具体实施方式
34.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
35.参见图1-图3，图1是根据一示例性实施方式示出的一种晶振驱动电路的第一种电路图；图2是根据一示例性实施方式示出的一种晶振驱动电路的第二种电路图；图3根据一示例性实施方式示出的一种晶振驱动电路的第三种电路图。
36.现有技术采用的是inv作为放大器来驱动外部晶体振荡器。使用恒定驱动能力的电流源为inv供电，并使用ota与基准实时监测晶体振荡器的振幅，最终实现驱动外部振荡器的同时兼具限幅功能。但是类似上述结构存在应用条件的限制，放大器inv的跨导gm来源于组成 inv的mos器件，而mos器件一方面在工艺制造过程存在一致性偏差，另一方面在极限温度应用条件下，gm亦会产生较大偏移。因此在极限应用条件下，晶体振荡器容易停振。
37.为了解决上述技术问题，本技术提供一种晶振驱动电路。参见图 1-图3，图1-图3中代表性地示出能够体现本技术的原理的一种晶振驱动电路，包括电源vcc、外围应用电路100以及gm自反馈调节电路 200；电源产生基准电流输出到外围应用电路100的放大器m0，gm自反馈调节电路200产生额外一路随晶体振荡幅度变化的补偿电流，补偿基准电流后驱动放大器m0。
38.此处，本技术采用外围应用电路100结合gm自反馈调节电路200 来调节放大器的跨导gm，直到晶振5顺利起振，从而大幅提高晶振5 电路的可靠性。本技术对比于其他传统晶体振荡器电路，经济效益是，应用本技术的产品，可以同时满足各种复杂极限应用环境，大大提升了产品的通用性。gm自适应技术使得电路可以应用在覆盖包括从极低温到极高温等各种极端工况条件范围，大幅度提高了产品的通用性和可靠性。
39.可选的，gm自反馈调节电路200包括耦合电容cc、第四mos管m4、滤波电路210、电流镜像电路220以及电压偏置电路230；反馈电容cc 接晶振5，晶振5的振荡交流信号经过滤波电路210和电压偏置电路 230传输至第四mos管m4栅极，第四mos管m4栅极电压随着振荡幅度变化，经过电流镜像电路220的自调节，对gm自反馈调节电路200的输出电流进行调节。
40.其中，电流镜像电路220包括第一mos管m1、第二mos管m2和第三mos管m3；第一mos管m1、第二mos管m2的电流输出端接第三mos 管m3的电流输入端，第一mos管m1接第四mos管m4漏级，第三mos管 m3源极接外围应用电路100。
41.具体的，第一mos管m1、第二mos管m2以及第三mos管m3的镜像比例为1:1:1，流过第一mos管m1、第二mos管m2及第三mos管m3的电流比例为1:1:1。
42.另外，滤波电路210包括第一电阻r1和电容c0；第一电阻r1一端分别接第四mos管m4栅级和电容c0，另一端接耦合电容cc,耦合电容 cc接放大器m0栅极，用于将耦合电容cc接入的交流电压信号进行滤波和累积。
43.在此基础上，电压偏置电路230包括第二电阻r2和第五mos管m5；第二电阻r2一端接第五mos管m5栅极，另一端接入电流镜像电路220 构成电压自偏置，用于阻碍削弱耦合电容cc接入的交流电压信号的影响；第二电阻r2一端还接入滤波电路210，用于将第五mos管m5的直流电压连通给第四mos管m4提供直流电压偏置。
44.具体的，gm自反馈调节电路200短接第五mos管的栅极和源极，则gm自反馈调节电路200性能会发生较大幅度恶化，调节效果大幅度弱化，通过第二电阻r2优化gm自反馈调节电路200性能，调节效果大幅度增强。
45.为了方案的完整性，第四mos管m4源极通过电阻r接地，防止电流过大，第五mos管m5的源极和电容c0均接地。
46.如图2所示基准电流源模块4，其输出电流i0有：
47.i0＝iref
48.一般为了节省功耗，iref大约在几百纳安培级别。而在极端应用条件下，几百纳安培级别的电流非常容易受噪声干扰，在高温高湿度条件下，甚至会被漏电流淹没等等。故易知，仅靠电流iref驱动的晶体振荡电路可靠性堪忧，健壮性不够。
49.本实施例中，本技术的gm自反馈调节电路200如图3所示，参考文献《design of analog cmos and integrated circuits》behzad razavi isbn：0-07-238032-2第11.2节，其输出电流i1有：
50.i1＝k/r251.其中k为与温度及电源vcc无关(与设计及工艺相关)的参数，
52.k＝2/(β*w/l)*(1-1/√k)2；
53.其中，β为工艺参数，k为第四mos管m4与第五mos管m5的个数比值。
54.在cmos工艺中，所有的mos器件，每一个器件均有两个设计参数 width(简写为w，沟道宽度)和length(简写为l，沟道长度)，w 与l的比值(即w/l)与mos器件的过电流能力成正比。mos器件的过电流能力由下式给出：
[0055][0056]
工艺参数是指由制造工艺所决定的固有参数，与本技术电路无关。其参数因具体制造工艺特征不同而不同，范围非常宽泛。如当前主流芯片制造工艺是硅基工艺，故硅的一些固有参数(如能带间隙量级、热电压等)就决定了制造出来的电路基本单元—mos管的基本特性和规律(如开启阈值、载流子迁移率等)。
[0057]
上述公式表征了晶振5未起振时，即电容cc上无交流信号通过时， gm自反馈调节电路200的输出电流。
[0058]
通过设计参数调整，一般设计i1为几微安培至十几微安培。
[0059]
此时放大器m0上的驱动电路id有：
[0060]
id＝i1+iref
[0061]
即
[0062]
id＝2/(β*w/l)/r2*(1-1/√k)2+iref
[0063]
可见，此时id远大于iref。
[0064]
而放大器m0的跨导gm有：
[0065][0066]
gm代表m0的跨导，其由m0的漏极电流id对m0的栅源电压v
gs
求导所得,即：
[0067][0068]
而饱和区的mos管漏极电流id由其栅源电压v
gs
决定：
[0069][0070]
对此公式进行求导即有：
[0071][0072]
再由此公式与上一公式联合变形即可得到：
[0073][0074]
其中，μc
ox
为工艺参数，即前文提到的β，w、l为m0的设计参数，v
gs
为 m0的栅源电压，v
th
为m0的开启阈值，id为m0的漏极电流。
[0075]
当经耦合电容cc接入的交流电压信号幅度较小(起振初期)时或无交流电压(未起振)时，第一电阻r1与电容c0构成简单的滤波电路 210将其滤除，从而使得第四mos管m4的gate电压不受影响，而流经第一mos管m1的电流亦同时流经第四mos管m4，第三mos管m3的输出电流i1又取决于流经第一mos管m1的电流，故而易知此时第三mos管m3的输出电流i1不受影响。由上文gm公式原理可知，此时gm最大，起振条件最宽松，晶振5容易起振。
[0076]
当经耦合电容cc接入的交流电压信号超过一定幅度时(具体参数限定由第一电阻r1与电容c0的值决定)，第一电阻r1与电容c0构成简单的滤波电路210不能将其完全滤除，其将影响第四mos管m4的gate 电压逐渐下降，即流经第四mos管m4的电流减小，综上同理，故而易知此时第三mos管m3的输出电流i1亦逐渐下降。由上文gm公式原理可知，此时gm亦逐渐减小，起振条件逐渐严苛，晶振5振幅逐渐受限降低。进而经耦合电容cc接入的交流电压信号幅度同步下降，第四mos 管m4的gate电压上升，流经第四mos管m4的电流上升，最终自调节电路达到平衡，晶振5振幅稳定在一定幅度。
[0077]
同理，若随着应用条件的恶化(例如温度大幅降低或湿度增加等)，晶振5的振荡幅度减小甚至停振，则其振荡的交流信号通过反馈电容 cc传输至第四mos管m4的栅端，经过第一电阻r1与电容c0的滤波作用，第四mos管m4的栅端电压会随着晶振5的振荡幅度减小而增大，于是经过电路的自调节，输出至放大器m0的电流i0(因i1增大)亦会增大，随之晶振5放大器m0的跨导gm亦同步增大，最终控制晶振5的振荡幅度增大终至稳定。
[0078]
综上，带gm自反馈调节电路200的晶体振荡器电路，在实际电路工作中，会实时检测晶振5的振荡幅度，进而会因工况的变化而实时反馈调节放大器m0的跨导gm，使得晶体振荡器电路温度可靠的工作。从而达到工况自适应的目的。
[0079]
本实施例中，如图1-图2所示，外围应用电路100包括放大器m0、反馈电阻r0、晶振5以及第一电容c1和第二电容c2；放大器m0栅极连接晶振5一端和gm自反馈调节电路200的输入端，放大器m0漏极连接晶振5另一端、gm自反馈调节电路200的输出端及电源vcc的输出端，放大器m0源极接地；反馈电阻r0的两端分别连接晶振5的两端；第一电容c1的上极板与第
二电容c2的上极板分别连接晶振5的两端，第一电容c1的下极板与第二电容c2的下极板均接地。
[0080]
其中，放大器m0的作用是(栅极)接收晶振5一端的电压信号，将其放大并(漏极)输出至晶振5的另一端,以促使晶振5持续震荡。反馈电阻r0作用是在为放大器m0提供直流偏置，维持工作点，从而使放大器m0能够正常工作。第一电容c1和第二电容c2的作用是为晶振5 储能，确保晶振5两端维持一定的能量交换，以抵消振荡过程中元器件的非理性因素导致的能量损耗，使得振荡能够持续稳定进行。
[0081]
进一步的，外围应用电路100还包括基准电流源模块4，电源vcc 的电流输出端与基准电流源模块4的电流输入端相连，基准电流源模块4的电流输出端与放大器m0漏级相连。
[0082]
另外，晶振驱动电路还包括时钟翻译电路300，时钟翻译电路300 接放大器m0漏级，将放大器m0漏级的信号输出。
[0083]
结合上述可知，基准电流源模块4产生基准电流输出驱动放大器 m0。gm自反馈调节电路200产生额外一路随晶体振荡幅度变化的补偿电流，补偿基准电流后驱动放大器m0。时钟翻译电路300接放大器m0 漏端，将该端的正弦振荡信号翻译成一定占空比的方波时钟信号输出。
[0084]
本实施例还提供一种控制器，采用上述晶振驱动电路。
[0085]
本实施例还提供一种空调控制系统，采用上述控制器。
[0086]
本实施例还提供一种变频空调，采用上述空调控制系统。
[0087]
需要指出的是，上述控制器、空调控制系统以及变频空调全部基于晶振驱动电路，因此具有晶振驱动电路一切优势，在此不再赘述。
[0088]
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0089]
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。