晶體或陶瓷振蕩器的時鐘發生器和其過濾系統的制作方法
【專利摘要】公開了具有振蕩器設備的時鐘發生器。該時鐘發生器可以包括信號調節預濾波器和比較器。信號調節器可以具有輸入端，用于從所述振蕩器設備的信號，并且可以包括高通濾波器組件和低通濾波器組件。高通濾波器部件可以通過輸入振蕩信號的振幅和頻率分量，但拒絕該振蕩信號的共模分量。取而代之，高通濾波器組件進一步可在本地生成它自己的共模分量，其上高頻分量被疊加。低通濾波器組件可產生表示第一輸出信號的本地產生的共模分量的第二輸出信號。時鐘發生器可以具有比較器作為輸入級，其耦合到所述濾波器結構的第一和第二輸出。
【專利說明】晶體或陶瓷振蕩器的時鐘發生器和其過濾系統
【背景技術】
[0001]本發明的實施例涉及集成電路的時鐘發生器，并具體而言，涉及節省電力并提供穩定操作的時鐘發生器。
[0002]現代加工系統采用依賴時鐘信號用于定時和同步的集成電路。通常，這些時鐘信號由振蕩器設備提供，諸如基于晶體振蕩器或基于陶瓷諧振器的振蕩器。當集成電路向晶體或陶瓷諧振器提供激勵信號時，該設備通過產生在預定頻率振蕩的響應信號進行響應。
[0003]圖1示出兩種不同的振蕩器結構。在圖1(a)中，振蕩器被示為包括晶體XTAL、反相器INV以及偏置電阻Rbias,每個平行連接到另一個。晶體XTAL是響應于激活信號產生振蕩信號的材料，其由反相器INV施加。電阻Rbias是電阻器，其設置逆變器的工作點的共模偏差，并增加其增益。圖1(a)示出一對電容器CtjsaXtjse2，其中每一個連接在地面和晶體XTAL的相應端之間。電容器可以在振蕩器的工藝、電壓和/或溫度變化方面提供穩定性。典型地，晶體XTAL、電阻RBIAS和電容器CQSC1、CQSC2是駐留在集成電路之外的分立元件，其產生時鐘信號。逆變器可駐留在集成電路內。
[0004]變頻器是在工作期間僅消耗電力的有源電路元件。逆變器的輸出通常包括未調節的電流，在許多情況下，其超過驅動晶體XTAL所需電流的量。因此，圖1(a)的振蕩器電路不是高能效的結構。
[0005]如同在圖1(a)結構中，在圖1(b)中，振蕩器被顯示為包括晶體XTAL、偏置電阻RBIAS和電容器Cqsc1、Cqsc2。并非包括圖1(a)結構的逆變器INV，圖1 (b)的結構包括由晶體管TRl和偏置電流源Ibias形成的導體級。電流源Ibias提供晶體管上的偏置，其設置圍繞晶體XTAL的增益。在某些情況下，電流源可以提供恒定電流到偏置晶體管，但是在其他情況下，該電流源可以在操作期間動態地改變。在后一種情況下，該振蕩器可以由振幅控制系統進行控制，其基于在晶體XTAL檢測出的振幅(XTALl)而改變由電流源輸出的電流。
[0006]電流的動態變化可以在振蕩器運行期間實現良好的電流保護。當振蕩器首次接合時，TRl由比較大的電流偏置以提供晶體XTAL的良好響應。當振蕩器達到穩態操作時，晶體振蕩可由較低幅度的驅動電流來維持。
[0007]圖1(b)還示出了可以具有振蕩器的時鐘發生器電路。時鐘發生器包括電阻電容濾波器結構和級聯耦合的一個或多個逆變器。在操作過程中，晶體在XTAL引腳上產生信號XTAL1，其具有大體的正弦字符。XTALl信號AC耦合到逆變器。在理想的操作情況下，在逆變器的輸入的電壓應關于逆變器的觸發點振蕩。逆變器將通過產生二進制輸出信號而響應在其輸入端呈現的一般正弦輸入信號，該信號具有匹配于正弦波信號的頻率。
[0008]本發明人已確定:用于驅動振蕩器的電流源的動態變化可以導致輸入到時鐘發生器內部的逆變器的信號共模工作點的變化。共模工作點的變化可導致產生不具有50%占空比的時鐘信號輸出。在極端情況下，它可以導致完全損失輸出時鐘信號。因此，本發明人確定需要在其輸入信號上存在共模變化時可靠地產生輸出時鐘信號的時鐘發生器。此外，本發明人認識到本領域需要使用電流控制振蕩器可靠工作的時鐘發生器。
[0009]附圖簡述
[0010]圖1包括示出普通振蕩器設備配置的兩個電路。
[0011]圖2是根據本發明實施例的集成電路的電路圖。
[0012]圖3-5是示出可由圖2的電路結構產生的信號波形的曲線圖。
[0013]發明詳述
[0014]本發明實施例可以提供用于振蕩器設備的時鐘發生器，其包括濾波器結構和比較器。該濾波器結構可以具有從振蕩器設備的信號輸入端，并且可以包括高通濾波器組件和低通濾波器組件。高通濾波器組件可以通過所希望幅度和頻率分量的輸入振蕩器信號，但拒絕振蕩器信號的任何不希望的共模分量。相反，該濾波器結構可以在本地生成它自己的共模分量，在其上所希望的高頻分量被疊加。低通濾波器元件可產生第二輸出信號，其表示第一輸出信號的本地產生的共模分量。該時鐘發生器可以具有比較器作為輸入級，其耦合到濾波器結構的第一和第二輸出。
[0015]為了本討論的目的，振蕩器信號的“高頻”分量可認為是發生在振蕩器設備被設計成的頻率的振蕩器信號的部分，以提供給集成電路。例如，常見的晶體振蕩器電路通常圍繞相對較少的標準頻率進行設計，諸如3.5795兆赫、3.6864兆赫、4.4336兆赫、10兆赫、14.3181兆赫、17.7344兆赫、20兆赫、26兆赫、33.33冊12和40冊12。與此相反，振蕩信號的“共模”分量是振蕩器信號的部分，其以比高頻分量低得多的頻率操作，例如，0(:(0兆赫)分量和接近IX:的頻率。
[0016]圖2示出了根據本發明實施例的集成電路200。該集成電路200可包括信號調節電路210、時鐘發生器220和任選地電流控制器230。信號調節器210可以具有從振蕩器設備240的信號的輸入端，其如所討論地可以具有共模分量，當在振蕩器裝置240中的偏置電流變化時，該共模分量也變化。信號調節器210可以產生兩個輸出到時鐘發生器220:第一輸出信號(節點“附”)，其包含從振蕩器裝置240接收的輸入信號的高頻成分和本地產生的共模分量，以及第二輸出信號(節點“吧”)，其包括附信號的本地產生共模分量。時鐘發生器220可以包括輸入級，用于比較從信號調節器210的兩個輸出信號。電流控制器230可從信號調節器210的第一輸出端產生電流控制信號181# 01:1*1。
[0017]在操作期間，時鐘發生器220可從由信號調節器210輸出的兩個信號的比較產生時鐘信號。因為兩個輸出信號應攜帶類似的共模成分，即使當由于例如溫度和/或制造變化模式組件在低頻變化，時鐘發生器220可以精確地工作。該在結點附的信號的高頻成分應當在由振蕩器設備240確定的頻率的當地共模分量變化。因此，圖2的電路結構可利用基于晶體和陶瓷諧振器的振蕩器設備相關精度的優勢，并避免在這些設備中和共模漂移等相關的問題。
[0018]電流控制器230可接收來自節點[的輸入，并且可以生成電流控制信號0^1以與輸入信號的變化成反比地變化。即，當在節點附的輸入信號具有相對小的幅度時，電流控制信號0^1可誘導在振蕩設備240中的偏置電流具有相對大的振幅；典型地，在節點附上的小幅度輸入信號發生在集成電路供電，以及晶體開始振蕩。當在節點附的輸入信號具有相對大的幅度時，電流控制信號廿1可誘導在振蕩設備240的偏置電流具有相對小的幅度；典型地，當晶體接近穩態操作條件時，在節點附的大振幅輸入信號發生。通過以與在節點附的輸入信號成反比變化的方式減少在振蕩設備240中的偏置電流，本身就代表晶體的整個信號，該設計節省了功率。
[0019]在一個實施例中，信號調節器210可以包括在源極到漏極的路徑上由第一電容器01、晶體管狀1、電阻町和第二電容器02 (耦合到XIII信號和接地端)和晶體管狀1 (延伸在節點附與地之間)的串聯組合而形成的濾波器結構212。信號調節器210進一步可包括電流源II，它提供電流到節點附以偏置晶體管狀1。可以從電阻町的各端子獲取[和吧輸出信號。濾波器結構212可提供多種功能到集成電路200。首先，電容器和晶體管I'[可以形成具有拐角頻率的高通濾波器結構，其足以通過晶體的振蕩頻率(頻率乂從口)，但拒絕XIII的任何共模分量。當從信號調節器的看到節點[,(:1呈現1/(?狀1的輸入阻抗，其中&III'[表示181的跨導。濾波器結構的高通轉角頻率可通過&來確定。在節點附的電壓可以具有本地建立的共模值，但是它會顯示出由乂1八11信號所確定的幅度和頻率的電壓擺幅。
[0020]其次，電容器02和電阻器町可以形成低通濾波器，其傳遞在節點附上的電壓共模分量，但拒絕高頻分量。本質上，低通濾波器結構在節點吧產生表示節點附的共模的電壓。節點吧的電壓可控制狀1晶體管的電導，它提供了在信號調節器210的反饋路徑，以確保在節點吧的電壓的任何變化也引起在節點附的共模分量的相應變化，到信號調節器210的固有％特性不足以誘發這種變化本身的程度。
[0021]在一個實施例中，濾波器212可以使用偏置晶體管(未示出)來代替電阻器尺1。在這種情況下，晶體管可以由控制電壓(也未示出)進行偏置，用于設置晶體管為預定的電導。因此，晶體管將提供濾波器結構的阻抗，就像電阻器提供并設置濾波器結構212的％特性。
[0022]圖2以簡化的方框圖示出時鐘發生器220。時鐘發生器220可以包括各種處理階段以生成和驗證時鐘信號。為了本討論的目的，足以注意到，時鐘發生器220的輸入級222可以被提供作為比較器，其從信號調節器210的節點附和吧獲取輸入。如討論地，在節點附的信號可以代表具有乂1八11輸入信號的振幅和頻率的正弦曲線，其關于本地共模電壓而變化。節點吧的信號可表示在節點附的信號的共模電壓。在比較器222，節點附和吧的信號中的共模分量應該空出來，并且比較器222應該產生具有匹配乂1八11信號的頻率和占空比的方波輸出信號。
[0023]在某些實施例中，時鐘發生器220可以包括其它處理階段，表示為圖2中的224，以驗證時鐘輸出和確認可靠性。這些后面的加工階段在復雜性和結構中有所變化，其細節對本公開是不重要的。本發明的原理應用于它們所有。
[0024]在實施例中，電流控制器230可包括其自己的濾波器結構232和一對疊置晶體管丁尺2、11？3，其提供在和地之間的導電路徑中。濾波器結構232被示為包括偏壓晶體管丁尺4和從節點附延伸至地的電容器03，但其它實施例是可能的。晶體管I財可以作為非線性信號相關的電阻，并提供阻抗到濾波器232。
[0025]疊層晶體管狀2、狀3可提供0^1信號到振蕩器設備240。在圖2所示的配置中，晶體管狀3的柵極耦合到濾波器結構232中的中間節點乂以…。晶體管狀2的柵極耦接至182和183中間。晶體管182示出連接到在電流鏡配置中的振蕩器設備240的電流提供晶體管1?胃。在本實施例中，當電流控制器230產生電流通過晶體管182和183 (示為
，電流鏡像轉移到振蕩器設備240，作為電流。
[0026]在操作期間，振蕩器裝置240可誘導在節點附的電壓，其振幅模仿信號的振幅。濾波器結構232可產生在晶體管TR3的輸入柵極VeTK3的電壓，其成比例但極性相反于在節點NI的電壓振幅。電壓Vgte3控制晶體管TR3，其調制Ibias Ref電流。Ibias Ref電流反過來可調制在振蕩設備240中的Ibias電流。因此，電流控制器230可控制在振蕩設備240中的Ibias電流，以成反比于XTALl信號的振幅變化。
[0027]盡管圖2示出了 Ibias Ref電流和Ibias電流之間的一對一的對應關系，本發明的原理可以應用于其他的比率。例如，電路設計人員可以發現可以方便地提供一對多的電流鏡結構，其中晶體管TR2連接到在振蕩器設備240中的多個電流設置晶體管(例如，多個TRam晶體管)，以及其中振蕩器裝置240晶體管的電流被合并到一起。在這種結構中，Ibias Ref電流的遞增變化可引起IBIAS電流的N倍變化，其中N表示振蕩器設備240中的電流提供晶體管的數目。
[0028]類似地，電路設計者可以發現方便地提供到多對一電流鏡結構，其中多個TR2晶體管被提供并耦合到振蕩器設備240中的僅單個電流提供晶體管。在該結構中，當通過所有TR2晶體管的總電流變化時，它可以Ι/Nth的幅度誘導在振蕩器設備240的電流提供晶體管TRe胃的相應變化。
[0029]其他電路配置是可能的。對于某些使用情況，電路設計人員可發現方便地輸入XTALl信號直接到電流控制器230，而不是獲取節點NI的輸入。在這樣的配置中，XTALl信號的共模變化可在一定程度影響電流控制器230的操作。不過，這些配置都在本發明的精神和范圍內。
[0030]圖3示出從模擬獲得的時序圖，描述圖2的集成電路200的操作。圖3 (a)是互相疊加XTALl和XTAL2信號的圖表。圖3 (b)是疊加NI和N2信號的曲線圖。圖3(c)示出在振蕩器設備中Ibias電流的控制。圖3(d)示出時鐘發生器內比較器222的輸出。XTAL1、XTAL2、N1和N2信號的各個振蕩在圖3示出的時間刻度是感覺不到的；然而，圖3用于比較它們之間的共模變化并描述集成電路200的性能。
[0031]如圖3所示，振蕩器設備可在時間=10微秒被接合。此時，Ibias電流源在其最高電平接合，提供電流到晶體XTAL1。晶體幾乎立即開始但以圖3中不可察覺的幅度振蕩。晶體振蕩開始在時間=1.2毫秒顯著增加，其誘導Ibias電流的變化。如圖3(b)和圖3(c)所示，從時間=1.2毫秒至時間=3.6毫秒，Ibias信號從最大電平?250 μ A降到約30微安的電平。Ibias中的該下降誘導XTALl和XTAL2的共模電壓從大約0.9伏到0.5伏的相應下降。
[0032]相反，在結點NI和Ν2的信號表現出共模電壓Ν2可以忽略的變化。在節點Ν2的電壓在圖3所示的整個時間段保持基本上是恒定的。當XTALl上的電壓變化時，節點NI的電壓以振幅變化，但圍繞實質和節點Ν2相同的共模電壓為中心。NI和Ν2信號驅動時鐘發生器的輸入級比較器并導致COMP OUT輸出，如圖3(d)中所示。
[0033]在圖3 (d)的例子中示出比較器的輸出信號已設計具有?200mV的磁滯，因此任何信號擺幅小于當比較器過渡時不被檢測地。該實施例存在跳閘比較器的噪音，并進一步確保在其輸出作為集成電路的時鐘源之前在晶體已建立令人滿意的振蕩幅度。在這樣的滯后沒有被設計成比較器的實施例中，比較器可在早于圖3(d)所指示的時間產生輸出信號。
[0034]圖4和5是說明在時間刻度NI和N2信號和COMP OUT信號之間關系的模擬波形，其中各個振蕩是可察覺的。圖4示出其中在每個信號的共模分量中沒有任何變化的理想化情況。圖5示出其中NI和N2信號具有變化的共模的情況；共模變化的頻率和振幅被放大，以更好地解釋本發明的原理。
[0035]如上面所討論地，附信號呈現為以本地產生的共模電壓為中心的正弦變化。吧信號表示[信號的共模電壓。在圖4(4所示的理想化情況中，共模電壓沒有變化，當[信號超過吧信號時，輸入級比較器將生成“1”，否則“0”。圖4(6)示出是50%占空比的時鐘信號的輸出。
[0036]在圖5的夸張情況中，附信號被示出以本地產生的共模電壓為中心的正弦曲線，其也呈現正弦變化。吧信號表示[信號的共模電壓。再次，當[信號超過吧信號時輸入級比較器產生“1”，和否則為“0”。如圖5(6)所示，即使不同的共模電壓出現時，輸入級比較器可產生50%占空比的時鐘信號。
[0037]圖2所示系統應用于各種振蕩器設備240。在圖2所示的配置中，振蕩器設備240可包括晶體乂從匕偏置電阻即1…和電容0^、0^2。振蕩器設備240還可以包括由增益晶體管1?形成的導級，和由1?胃晶體管形成的電流源。電流源晶體管1?胃可以提供偏置電流到晶體管1?，其圍繞晶體設置增益。如所討論地，電流源晶體管1?胃可以耦合到電流鏡配置中的電流控制器230的晶體管1尺2。
[0038]晶體XI從、偏置電阻和電容器0^、0^2可以提供作為獨立于集成電路200的分立器件，其上提供信號調節器210、時鐘發生器220和電流控制器230。1?和1?胃晶體管也可提供在集成電路200內。圖2示出了各種引腳？，示出集成電路200和振蕩器裝置240的分立設備XI從、00801和0^2之間的連接點。
[0039]盡管圖2示出集成電路200操作基于晶體的振蕩器，本發明的原理并不受此限制。該集成電路200還應用于基于陶瓷諧振器的振蕩器設備。
[0040]本文具體說明和/或描述多個實施例。然而，應當理解，本發明的修改和變化都包括在上述教導以及所附權利要求的范圍內，而不脫離本發明的精神和所希望的范圍。
【權利要求】
1.一種用于振蕩器設備的裝置，包括: 信號調節器，具有用于從振蕩器設備的信號的輸入，所述信號調節器包括: 高通濾波器組件，其構成以通過振蕩信號的振幅和頻率分量，但拒絕振蕩信號的共模分量，所述高通濾波器組件進一步經構造以產生第一輸出信號，其包括關于本地產生的共模分量信號的振蕩信號的振幅和頻率分量； 低通濾波器組件，經構造以產生第二輸出信號，其表示本地產生的共模分量；以及時鐘發生器具有輸入比較器，所述比較器具有耦合到信號調節器的第一和第二輸出的輸入端。
2.如權利要求1所述的裝置，其中，所述信號調節器和時鐘發生器提供在共同的集成電路中，其獨立于振蕩器設備。
3.如權利要求1所述的裝置，其中，所述高通濾波器具有低于振蕩器的操作頻率的角頻率。
4.如權利要求1所述的裝置，進一步包括幅值控制裝置，包括: 控制器濾波器，具有輸入端耦合到所述信號調節器的第一輸出，所述控制器濾波器經構造以產生輸出信號，其與輸入端信號的振幅成反比， 控制信號發生器，具有輸入端耦合到所述控制器濾波器輸出，以產生用于輸出到振蕩器設備的電流控制信號。
5.如權利要求4所述的裝置，其中控制器濾波器是電阻/電容濾波器。
6.如權利要求4所述的裝置，控制器濾波器包括具有預定電導和電容的晶體管。
7.如權利要求1所述的裝置，其中所述高通濾波器組件和低通濾波器組件由第一電容器、電阻器和第二電容器的串聯組合而形成。
8.如權利要求1所述的裝置，進一步包括幅值控制器，包括: 控制器濾波器，具有用于從振蕩設備的信號的輸入端，所述控制器濾波器經構造以產生輸出信號，其與輸入端信號的振幅成反比， 控制信號發生器，具有輸入端耦合到所述控制器濾波器輸出，以產生用于輸出到振蕩器的電流控制信號。
9.一種從振蕩器設備產生時鐘的方法,包括: 高通濾波來自振蕩器設備的輸入信號，以產生具有頻率和振幅的第一輸出信號，反映振蕩信號的頻率和振幅，但具有獨立生成的共模分量， 低通濾波第一輸出信號以產生第二輸出信號，其具有表不第一輸出信號的共模分量的共模，并 從所述第一和第二輸出信號的比較產生時鐘信號。
10.如權利要求9所述的方法，進一步包括用于在振蕩器設備中控制電流消耗的方法，包括: 過濾所述第一輸出信號以產生中間控制信號，其成反比于輸入信號的振幅變化， 從中間控制信號產生電流控制信號，并 輸出所述電流控制信號到振蕩器設備。
11.如權利要求9所述的方法，其中，所述振蕩器設備具有特征工作頻率，以及所述高通濾波具有低于振蕩器設備的工作頻率的角頻率。
12.用于振蕩器設備的時鐘發生器，包括: 信號調節器，具有輸入用于從振蕩器設備的信號，所述信號調節器包括: 在從輸入到電壓基準的電路路徑上提供的第一電容器、電阻器、和第二電容器， 晶體管，具有漏極端子連接到所述電阻器的第一端子，柵極端子耦合到所述電阻器的第二端子，以及源極耦合到所述電壓參考，和電流源，耦合到所述晶體管的漏極；和比較器，具有一對輸入端，分別耦合到所述電阻器的各個端子。
13.如權利要求12所述的時鐘發生器，其中，所述信號調節器和比較器提供在共同的集成電路上，獨立于振蕩器設備。
14.如權利要求12所述的時鐘發生器，其中，所述第一電容器、電阻器和晶體管形成具有低于振蕩器的操作頻率的角頻率的高通濾波器。
15.如權利要求12所述的時鐘發生器，其中所述第二電容器和電阻器形成低通以在具有共模的電阻器的第二端子產生信號，表示存在于電阻器的第一端子的信號的共模分量。
16.如權利要求12所述的時鐘發生器，進一步包括幅值控制器，包括: 控制器濾波器，具有耦合到電阻器的第一端子的輸入端，所述控制器濾波器經構造以產生輸出信號，其與輸入端信號的振幅成反比， 控制信號發生器，具有輸入端耦合到所述控制器濾波器輸出，以產生用于輸出到振蕩器的電流控制信號。
17.如權利要求16所述的時鐘發生器，其中，所述控制器濾波器是電阻/電容濾波器。
18.如權利要求16所述的時鐘發生器，其中，所述控制器濾波器包括具有預定電導和電容的晶體管。
19.如權利要求12所述的時鐘發生器，進一步包括幅值控制器，包括: 控制器濾波器，具有用于從振蕩設備的信號的輸入端，所述控制器濾波器經構造以產生輸出信號，其與輸入端信號的振幅成反比， 控制信號發生器，具有輸入端耦合到所述控制器濾波器輸出，以產生用于輸出到振蕩器的電流控制信號。
20.一種用于振蕩器設備的裝置，包括: 濾波器結構，具有輸入用于從振蕩器設備的信號，該濾波器結構包括: 高通濾波器組件，其構成以通過振蕩信號的振幅和頻率分量，但拒絕振蕩信號的共模分量，所述高通濾波器組件進一步經構造以產生第一輸出信號，其包括關于本地產生的共模分量信號的振蕩信號的振幅和頻率分量； 低通濾波器組件，經構造以產生第二輸出信號，其表示本地產生的共模分量； 振幅控制器，包括: 控制器濾波器，具有耦合到濾波結構的第一輸出的輸入端，所述控制器濾波器經構造以產生輸出信號，其與輸入端信號的振幅成反比， 控制信號發生器，具有輸入端耦合到所述控制器濾波器輸出，以產生用于輸出到振蕩器的電流控制信號；以及 時鐘發生器具有輸入比較器，所述比較器具有耦合到信號調節器的第一和第二輸出的輸入端。
【文檔編號】H03K3/00GK104285374SQ201380024616
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年4月30日 優先權日:2012年5月11日
【發明者】D·奧克菲, D·伯克 申請人:美國亞德諾半導體公司