阅读说明：本技术 晶体振荡器控制电路以及相关的振荡器装置 (Crystal oscillator control circuit and related oscillator device ) 是由 郝报田 王维铁 李超 于 2018-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了晶体振荡器控制电路以及相关的振荡器装置。晶体振荡器控制电路包含第一端子与第二端子、电流源、峰检测及偏压电压调整电路、低通滤波器以及反馈控制电路。第一端子与第二端子用来将晶体振荡器控制电路耦接至晶体。电流源耦接至电源电压,且用来产生偏压电流。峰检测及偏压电压调整电路用来进行峰检测及偏压电压调整,以对应地产生第一信号。低通滤波器用来对第一信号进行低通滤波以产生滤波信号。反馈控制电路用来依据滤波信号进行反馈控制,以于第一端子与第二端子中的至少一端子产生振荡信号。本发明的好处例如：晶体振荡器控制电路不需要电阻器与模拟开关,且对泄漏电流不敏感；尤其,能避免巨大的反馈电阻器的需求。(The invention discloses a crystal oscillator control circuit and a related oscillator device. The crystal oscillator control circuit comprises a first terminal, a second terminal, a current source, a peak detection and bias voltage adjustment circuit, a low pass filter and a feedback control circuit. The first terminal and the second terminal are used for coupling the crystal oscillator control circuit to the crystal. The current source is coupled to a power voltage and is used for generating a bias current. The peak detection and bias voltage adjustment circuit is used for performing peak detection and bias voltage adjustment so as to correspondingly generate a first signal. The low pass filter is used for low pass filtering the first signal to generate a filtered signal. The feedback control circuit is used for performing feedback control according to the filtering signal so as to generate an oscillation signal at least one of the first terminal and the second terminal. The benefits of the invention are for example: the crystal oscillator control circuit does not need a resistor and an analog switch and is not sensitive to leakage current; in particular, the need for a large feedback resistor can be avoided.)

晶体振荡器控制电路以及相关的振荡器装置

技术领域

本发明有关于振荡器，尤其关于一种晶体振荡器(crystal oscillator)控制电路以及相关的振荡器装置。

背景技术

依据相关技术，晶体振荡器可使用电阻器作为增益级的反馈元件。实现该反馈元件的另一种选择可以是模拟开关(analog switch)，诸如模拟金属氧化物半导体场效晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)开关。当采用互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,CMOS)制造工艺，电阻器在从芯片面积的观点来看是相当昂贵的。模拟开关的电阻对制造工艺、电源和温度敏感。更糟糕的是，当信号的强度很大时，模拟开关会在输入与输出之间引入不平衡的直流电压。

除了上述既有的问题之外，还有某些其它问题。例如，为了使晶体振荡器对印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)漏电流不敏感，相关技术中有建议可在输入和输出之间***串联的电阻和电容(on-chip capacitor series with a resistor)。然而，这个电阻器在低频晶体振荡器设计中会占据极大的面积，这就导致成本大幅地增加。又例如，晶体振荡幅度可以通过回路来限制以降低电路功率，所以需要自动增益控制(Automatic GainControl,AGC)回路和低通滤波器(Low Pass Filter,LPF)。然而，相关技术中的设计人员无法避免在这样的设计中使用电阻器或模拟开关，这就面临了解决既有的问题和解决新的问题之间的权衡(trade-off)。

因此，需要一种新颖的架构，以在没有副作用或较不可能带来副作用的状况下提升电子系统的整体效能。

发明内容

本发明的一目的在于公开一种晶体振荡器控制电路以及相关的振荡器装置，以解决上述问题。

本发明的另一目的在于公开一种晶体振荡器控制电路以及相关的振荡器装置，以在没有副作用或较不可能带来副作用的状况下达到电子装置的优化(optimal)效能。

本发明的至少一实施例公开一种晶体振荡器控制电路。该晶体振荡器控制电路可包含一第一端子与一第二端子、一电流源、一峰检测及偏压电压调整电路(peak detectionand bias voltage adjustment circuit)、一低通滤波器以及一反馈控制电路(feedbackcontrol circuit)。该第一端子与该第二端子用来将该晶体振荡器控制电路耦接至一晶体。该电流源耦接至一电源电压，且用来产生一偏压电流。该峰检测及偏压电压调整电路耦接于该偏压电流以及一接地电压之间、且耦接至该第一端子，并且用来进行峰检测及偏压电压调整，以对应地于一节点产生一第一信号。另外，该低通滤波器耦接至该节点，且用来对该第一信号进行低通滤波以产生一滤波信号。此外，该反馈控制电路耦接至该低通滤波器、且耦接至该第一端子与该第二端子，并且用来依据该滤波信号进行反馈控制，以于该第一端子与该第二端子中的至少一端子产生振荡信号。

本发明的至少一实施例公开一种包含上述晶体振荡器控制电路的振荡器装置，该振荡器装置可另包含：该晶体，耦接于该第一端子与该第二端子之间；以及一第一电容器与一第二电容器，分别耦接至该第一端子与该第二端子。

本发明的好处例如：该晶体振荡器控制电路不需要电阻器与模拟开关(其可用来扮演电阻器的角色)，尤其，能避免巨大的反馈电阻器的需求。另外，该晶体振荡器控制电路对泄漏电流不敏感(leakage insensitive)。相较于相关技术，本发明的晶体振荡器控制电路与振荡器装置能分别被实施成无电阻器(resistorless)电路与装置，不但功能完善、且大小极为精巧。

附图说明

图1为依据本发明一实施例的一种晶体振荡器控制电路的示意图。

图2绘示包含图1所示晶体振荡器控制电路的振荡器装置的例子。

图3绘示图1所示晶体振荡器控制电路的相关信号的例子。

标号说明

10 振荡器装置

100 晶体振荡器控制电路

110 峰检测及偏压电压调整电路

120 低通滤波器

130 增益级

OTA1,OTA2,OTA3 操作跨导放大器

M0,M1,M2,M3,M4 晶体管

C0,C1,C2,Cc 电容器

N_A,N_B,N_C,N_D 节点

XTAL_I,XTAL_IO 端子

VDD 电源电压

VSS 接地电压

IBias 偏压电流

I_M3 电流

V_C,V_D 信号

V_{XTAL_I} 振荡信号

具体实施方式

图1为依据本发明一实施例的一种晶体振荡器控制电路100的示意图。晶体振荡器控制电路100可包含端子XTAL_I与XTAL_IO、产生偏压电流IBias的电流源、峰检测及偏压电压调整电路110与低通滤波器120，且可另包含反馈控制电路，诸如图1所示架构中位于低通滤波器120右侧的电路，其中该电流源耦接至电源电压VDD，峰检测及偏压电压调整电路110耦接于偏压电流IBias以及接地电压VSS之间、且可耦接至端子XTAL_I，低通滤波器120耦接至峰检测及偏压电压调整电路110，且该反馈控制电路耦接至低通滤波器120、且耦接至端子XTAL_I与XTAL_IO。图1所示架构中采用了某些类型的金属氧化物半导体场效晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，可简称为“MOSFET”)，诸如P型(P-type)与N型(N-type)MOSFET，但本发明不限于此。

如图1所示，峰检测及偏压电压调整电路110可包含操作跨导放大器(OperationalTransconductance Amplifier，可简称为“OTA”)OTA1、耦接于偏压电流IBias与接地电压VSS之间的晶体管M0(诸如N型MOSFET)与电容器C0、以及耦接于节点N_B与端子XTAL_I之间的电容器C1。操作跨导放大器OTA1包含一第一正输入端子、一第一负输入端子与一第一输出端子(诸如其左侧分别标示“+”与“-”的端子以及其右侧端子)，其中该第一正输入端子耦接至偏压电流IBias，而该第一负输入端子与该第一输出端子彼此耦接、且耦接至节点N_B，并且晶体管M0的控制端子诸如栅极(gate)端子可耦接至节点N_B。另外，低通滤波器120可包含操作跨导放大器OTA2、以及耦接于节点N_D与接地电压VSS之间的电容器C2。操作跨导放大器OTA2包含一第二正输入端子、一第二负输入端子与一第二输出端子(诸如其左侧分别标示“+”与“-”的端子以及其右侧端子)，其中该第二正输入端子耦接至节点N_B，而该第二负输入端子与该第二输出端子彼此耦接、且耦接至节点N_D。此外，该反馈控制电路可包含操作跨导放大器OTA3、耦接于节点N_A与端子XTAL_I之间的电容器Cc、耦接于电源电压VDD与接地电压VSS之间且位于一第一电流路径上的晶体管M1与M2、以及耦接于电源电压VDD与接地电压VSS之间且位于一第二电流路径上的晶体管M3与M4。例如，该第一电流路径可代表从上往下通过晶体管M2与M1的电流路径，而该第二电流路径可代表从上往下通过晶体管M3与M4的电流路径。操作跨导放大器OTA3包含一第三正输入端子、一第三负输入端子与一第三输出端子(诸如其右侧分别标示“+”与“-”的端子以及其左侧端子)，其中该第三正输入端子耦接至端子XTAL_IO，而该第三负输入端子与该第三输出端子彼此耦接、且耦接至节点N_A。晶体管M1的控制端子诸如栅极端子耦接至低通滤波器120，且晶体管M2的多个端子中的二个端子彼此耦接，使晶体管M2被配置成一个二端子元件，诸如二极管连接的(diode-connected)晶体管。例如，晶体管M2的该多个端子包含源极(source)端子、栅极端子与漏极(drain)端子，而这些端子中的栅极端子与漏极端子彼此耦接。晶体管M3的控制端子诸如栅极端子耦接至晶体管M2的控制端子诸如栅极端子，且晶体管M4的控制端子诸如栅极端子耦接至节点N_A。

依据本实施例，端子XTAL_I与XTAL_IO可用来将晶体振荡器控制电路100耦接至一晶体，而峰检测及偏压电压调整电路110可用来进行峰检测及偏压电压调整，以对应地于节点N_B产生一第一信号诸如信号VB。另外，低通滤波器120可耦接至节点N_B，且可用来对该第一信号(诸如节点N_B上的信号VB)进行低通滤波以于节点N_D产生一滤波信号诸如信号V_D。此外，晶体管M1的控制端子诸如栅极端子接收该滤波信号(诸如节点N_D上的信号V_D)。该反馈控制电路可用来依据该滤波信号(诸如信号V_D)进行反馈控制，以于端子XTAL_I与XTAL_IO中的至少一端子(例如一或多个端子)产生振荡信号，诸如分别于端子XTAL_I与XTAL_IO上的振荡信号V_{XTAL_I}与V_{XTAL_IO}，但本发明不限于此。如图1所示，该反馈控制电路中的增益级130可包含操作跨导放大器OTA3、晶体管M4以及电容器Cc，其中晶体管M3的两个其它端子(诸如源极端子与漏极端子)分别耦接至电源电压VDD以及该第三正输入端子，而晶体管M4的两个其它端子(诸如漏极端子与源极端子)分别耦接至该第三正输入端子以及接地电压VSS。增益级130可提供增益以及反馈路径以供产生上述振荡信号(诸如分别于端子XTAL_I与XTAL_IO上的振荡信号V_{XTAL_I}与V_{XTAL_IO})，且可利用电容器Cc进行泄漏电流隔离(leakageisolation)，尤其，隔离端子XTAL_I上的任何漏电流。

举例来说，由于电容器Cc将晶体管M4的栅极与端子XTAL_I隔离，故增益级130对端子XTAL_I上的泄漏电流不敏感。操作跨导放大器OTA3提供反馈回路，且其偏压电流能针对高输出阻抗进行调整，因此端子XTAL_I上的交流信号可在没有相位偏移和强度衰减的状况下被耦合到晶体管M4的栅极。另外，峰检测及偏压电压调整电路110可调整操作跨导放大器OTA1的偏压电流，使端子XTAL_I上的交流信号可以容易地被耦合到节点N_B，尤其，操作跨导放大器OTA1不会在节点N_C与N_B之间引入直流偏移。此外，低通滤波器120可为晶体管M1的栅极于节点N_D提供干净的信号，且因此能间接地为晶体管M4提供干净的偏压电流，还可以控制操作跨导放大器OTA2的偏压电流被调整到能最小化于节点D上的任何可能的波纹(ripple)，尤其使其消失，但本发明不限于此。依据某些实施例，操作跨导放大器OTA1可提供反馈路径。

基于图1所示架构，本发明提供了能避免使用电阻器和模拟开关的晶体振荡器控制电路，并且在没有引入副作用的状况下，同时整合了AGC回路和泄漏隔离电容器于同一架构中。尤其，本发明的无电阻器且无模拟开关的晶体振荡器控制电路能一并解决了相关技术中的各种问题，使凡是依据本发明来实施者，都不必受困于解决既有的问题和解决新的问题之间的权衡，其中，本发明所提出的新颖架构对泄漏电流不敏感，又能避免巨大的反馈电阻器的需求。另外，本发明能达到降低电路功率、降低对PCB漏电灵敏度、以及降低相关成本(诸如材料及制造成本)等目标。

图2绘示包含图1所示晶体振荡器控制电路100的振荡器装置10的例子，但本发明不限于此。如图2所示，振荡器装置10可另包含耦接于端子XTAL_I与XTAL_IO之间的该晶体，以及分别耦接至端子XTAL_I与XTAL_IO的一第一电容器与一第二电容器。例如，该第一电容器与该第二电容器各自的上方端子分别耦接至端子XTAL_I与XTAL_IO，而该第一电容器与该第二电容器各自的下方端子接地。

基于图1与图2所示架构，本发明提供了能避免使用电阻器和模拟开关的晶体振荡器控制电路与振荡器装置，尤其，本发明的无电阻器且无模拟开关的晶体振荡器控制电路与振荡器装置能一并解决了相关技术中的各种问题。

图3绘示图1所示晶体振荡器控制电路100的相关信号(诸如振荡信号V_{XTAL_I}、信号V_C与V_D、以及晶体管M3的电流I_M3)的例子，但本发明不限于此。关于启动，在晶体振荡器控制电路100上电的一开始，晶体管M4的偏压电流可由偏压电流IBias和晶体管比率决定，其中相对较大的电流可用于更好的启动。当上述振荡信号(诸如分别于端子XTAL_I与XTAL_IO上的振荡信号V_{XTAL_I}与V_{XTAL_IO})的振荡强度增加时，节点N_C上的直流电压减小，因此节点N_B上的直流电压也减小。操作跨导放大器OTA2与电容器C2可容许节点N_B上的直流信号通过，但会衰减交流信号。因此，在节点N_D上的信号V_D可呈现缓慢变化的降低的电压。因此，当振荡强度增加时，晶体管M4的偏压电流减小。最终，相关信号的变化可达到平衡点。于是，上述振荡信号(诸如分别于端子XTAL_I与XTAL_IO上的振荡信号V_{XTAL_I}与V_{XTAL_IO})能保持振荡并且偏压电流保持恒定。

依据某些实施例，图1所示晶体振荡器控制电路100以及图2所示振荡器装置10可应用于各种不同的产品的相关设计，诸如晶体振荡器(XOSC)、锁相回路(PLL)、时钟等设计。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。