專利名稱：振蕩器加速起振的方法、加速起振單元及振蕩器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及振蕩器領域，尤其涉及一種振蕩器加速起振的方法、加速起振單元及振蕩器。
背景技術：
晶體振蕩器是以石英晶體為諧振腔的一類振蕩器的總稱，借助了石英晶體諧振腔具有的極高選頻特性的優(yōu)點，晶體振蕩器能產生高精度和高穩(wěn)定度的頻率信號，被廣泛應用于微處理器、控制器、鐘表、通訊設備等系統(tǒng)中，為這些系統(tǒng)提供基準時鐘信號，由于石英晶體屬于無源器件，其本身并不能振蕩，需要配合額外的有源負阻電路才能振蕩。在起振階段，有源負阻電路給石英晶體諧振腔提供足夠能量讓其起振；在振蕩過程中，有源負阻電路源源不斷的補充石英晶體諧振腔的能量消耗并達到一種平衡態(tài)，使得振蕩過程得到維持和繼續(xù)。射頻收發(fā)機芯片對晶體振蕩器的相位噪聲性能通常要求較高，而且有些射頻收發(fā)機芯片還要求晶體振蕩器能夠快速起振，以盡快進入正常應用模式。但是，相位噪聲、起振時間與尾電流大小直接相關，而尾電流最大值又受到MOS管擊穿電壓的限制。通常，尾電流越大，則相位噪聲性能越好，起振時間越短；但尾電流過大將會導致振蕩幅度過大,如果振蕩幅度超過MOS管能夠承受的電壓限制，將會嚴重影響MOS管的可靠性和壽命。對于現(xiàn)代CMOS工藝，核心電路MOS管都是工作在低電壓下，能夠承受的最大電壓也很低(通常不超過1.5倍電源電壓，假設電源電壓為1.2V，則該值為1.8V)，可靠性要求尤為顯著。因此，可靠性要求限制了晶體振蕩器尾電流的最大值，如果在這個最大電流值下，晶體振蕩器的起振時間仍然不能滿足要求(對于現(xiàn)代CMOS工藝，這一點通常不能滿足)，那就必須增加額外的加速起振電路。為了加快晶體振蕩器起振速度，現(xiàn)有技術通常是采用基于模擬負反饋的加速起振電路。圖1為現(xiàn)有技術中帶有1旲擬加速起振環(huán)路的晶體振蕩器的不意圖，包括晶體振蕩器核心電路1、幅度檢測電路2、壓控尾電流源3和輸出緩沖器4，基本工作原理是，幅度檢測電路2檢測振蕩幅度并輸出一個與振蕩幅度相對應的直流電壓，去不斷改變壓控尾電流源3的電流大小，直至達到穩(wěn)定，起振前是大電流，起振后是小電流(正常電流)。這里，壓控尾電流源3的電流大小直接受控制電壓Vc的控制，幅度檢測電路2 (又稱為峰值檢測電路)檢測晶體振蕩器核心電路I的振蕩幅度，并輸出一個由輸入振蕩幅度決定的直流電壓，幅度檢測電路2的檢測特性具有單調性，即輸入幅度越大，輸出直流電壓單調下降，或者單調上升，晶體振蕩器剛剛上電的時候，幅度非常小，幅度檢測電路2的輸出較高Vc (或者最低)，由Vc控制產生的尾電流非常大，晶體振蕩器處于非常大的尾電流偏置下，開始加速起振，幅度也開始加速增大，幅度檢測電路2的輸出Vc開始逐漸下降(或者上升)，由Vc控制產生的尾電流也開始逐漸下降，在這種模擬負反饋環(huán)路的作用下，晶體振蕩器最終趨于穩(wěn)定振蕩狀態(tài)，振蕩波形如圖2所示，圖2為圖1所示晶體振蕩器的起振過程的振幅波形、輸出時鐘信號(CKout)波形及尾電流波形示意圖，圖1所示電路的X處節(jié)點的波形表示振幅波形，Ts為起振時間，由尾電流波形可以看出，起振前尾電流由Imax逐漸減小至Inorm,振蕩穩(wěn)定后的電流為Inorm，這種基于模擬負反饋的加速起振環(huán)路，雖然能夠有效減小晶體振蕩器起振時間，但是也有許多缺點:首先，與任何模擬負反饋環(huán)路一樣，存在穩(wěn)定性問題，這種穩(wěn)定性體現(xiàn)為負反饋環(huán)路的相位裕度和增益裕度是否足夠，而且這是一種隱藏在大信號周期穩(wěn)態(tài)振蕩背后的小信號特性，現(xiàn)有仿真器很難直接仿真去檢查這種穩(wěn)定性，因此增加了這種負反饋環(huán)路的設計難度；其次，嚴重惡化晶體振蕩器的相位噪聲性能，由于模擬環(huán)路任何時刻總是有效和維持著，而幅度檢測電路會產生大量噪聲，因此會注入到模擬環(huán)路中去，影響并惡化晶體振蕩器的相位噪聲性能。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種更加完善的一種振蕩器加速起振的方法、加速起振單元及振蕩器。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案:一種振蕩器加速起振的方法，包括:在振蕩器上電后，根據(jù)振蕩器的振蕩幅度調整可編程尾電流源的電流控制字；根據(jù)可編程尾電流源的電流控制字改變振蕩器的工作電流，由預設的最大電流值至預設的最小電流值。根據(jù)可編程尾電流源的電流控制字改變振蕩器的工作電流由預設的最大電流值至預設的最小電流值的過程包括:將振蕩器的工作電流由預設的最大電流值經一次或多次切換至預設的最小電流值。 所述預設的最小電流值等于所述振蕩器振幅穩(wěn)定后的電流值。根據(jù)振蕩器的振蕩幅度調整可編程尾電流源的電流控制字的步驟包括:對振蕩器的振蕩幅度進行檢測，得到單調性的檢測值；將所述檢測值輸入一個或多個比較器，各比較器的另一輸入端輸入不同的參考值，各比較器輸出比較結果；對各比較器輸出的比較結果進行運算，根據(jù)運算結果確定電流控制字。還包括所述參考值的設定步驟:利用可編程尾電流源給振蕩器提供所述最小電流值；對多種仿真條件下所述振蕩器穩(wěn)定后的振蕩幅度進行檢測，得到最小振蕩幅度相應的檢測值，將所述最小振蕩幅度相應的檢測值作為仿真值；若所述仿真值與振蕩器的振蕩幅度呈正檢測特性，則將所述參考值設置為大于所述仿真值預設余量；若所述仿真值與振蕩器的振蕩幅度呈負檢測特性，則將所述參考值設置為小于所述仿真值預設余量。一種加速起振單元，包括幅度檢測單元、比較單元、運算單元和可編程尾電流源，所述幅度檢測單元的輸入端連接振蕩器，所述運算單元的輸出端連接用于給所述振蕩器提供工作電流的所述可編程尾電流源，其中，所述幅度檢測單元用于在振蕩器上電后，對振蕩器的振蕩幅度進行檢測，得到單調性的檢測值；所述比較單元用于將所述檢測值與預設的一個或多個參考值進行比較，并得到比較結果；所述運算單元根據(jù)所述比較結果確定電流控制字，并輸出至所述可編程尾電流源；所述可編程尾電流源用于根據(jù)所述電流控制字改變振蕩器的工作電流由預設的最大電流值至預設的最小電流值。所述比較單元包括多個比較器，各比較器的其中一個輸入端輸入所述檢測值，另一個輸入端輸入不同的參考值，各比較器輸出比較結果；所述運算單元為組合邏輯編碼器，所述組合邏輯編碼器對各比較器輸出的比較結果進行運算，并根據(jù)運算結果確定電流控制字。所述可編程尾電流源用于將振蕩器的工作電流由預設的最大電流值經一次或多次切換至預設的最小電流值。—種振蕩器，包括上述任一項所述的加速起振單元，所述加速起振單元用于根據(jù)振蕩器的振蕩幅度調整可編程尾電流源的電流控制字；根據(jù)可編程尾電流源的電流控制字改變振蕩器的工作電流由預設的最大電流值至預設的最小電流值。本發(fā)明一種振蕩器加速起振的方法、加速起振單元及振蕩器，該方法在振蕩器上電后，根據(jù)振蕩器的振蕩幅度調整給振蕩器提供工作電流的可編程尾電流源的電流控制字；根據(jù)可編程尾電流源的電流控制字改變振蕩器的工作電流由預設的最大電流值至預設的最小電流值。相比于現(xiàn)有技術基于模擬負反饋的加速起振電路連續(xù)地改變尾電流源的電流大小的方式，本發(fā)明所述方案由于控制字的值不會受噪聲影響而發(fā)生改變，輸出的尾電流不會受噪聲影響而發(fā)生改變，因此，不影響振蕩器的相位噪聲性能。


圖1為現(xiàn)有技術中帶有|旲擬加速起振環(huán)路的晶體振蕩器的不意圖；圖2為圖1所示晶體振蕩器的起振過程的振幅波形、輸出時鐘信號波形及尾電流波形示意圖；圖3為本發(fā)明實施例一種振蕩器加速起振的方法的流程圖；圖4為本發(fā)明實施例一種振蕩器的示意圖；圖5為圖4所示振蕩器的起振過程的振幅波形、輸出時鐘信號波形及尾電流波形示意圖；圖6為本發(fā)明另一實施例一種振蕩器的不意圖；圖7為圖6所示振蕩器電流切換過程的示意圖。
具體實施例方式下面通過具體實施方式
結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。圖3為本發(fā)明實施例一種振蕩器加速起振的方法的流程圖，請查考圖3:S31、在振蕩器上電后，根據(jù)振蕩器的振蕩幅度調整給可編程尾電流源的電流控制字；S32、根據(jù)可編程尾電流源的電流控制字改變振蕩器的工作電流由預設的最大電流值至預設的最小電流值。
步驟S32中可以將振蕩器的工作電流由預設的最大電流值經一次或多次切換至預設的最小電流值。下面以一次切換為例，圖4為本發(fā)明實施例一種振蕩器的示意圖，請參考圖4:一種振蕩器，其特征在于，包括振蕩器核心電路11、加速起振單元和輸出緩沖器13，振蕩器核心電路11包括:PM0S管1^1、匪03管胞1、電阻1 、電容(:1、02和石英晶體111，加速起振單元包括幅度檢測電路121、比較器122、組合邏輯編碼器123和可編程尾電流源124 ；Mnl的漏極與Mpl的漏極相連，Mnl的源極接地，Mnl的柵極與Mpl的柵極相連；Mnl的漏極和Mpl的漏極還與電阻R的一端相連，Mnl的柵極與Mpl的柵極還與電阻R的另一端相連，可編程尾電流源124的輸出電流流入Mpl的源極；電容Cl的一端與石英晶體的一端、Mnl的漏極、Mpl的漏極相連，電容Cl的另一端接地；電容C2的一端與石英晶體的另一端、Mnl的柵極、Mpl的柵極相連，電容C2的另一端接地；Mnl的柵極與Mpl的柵極還與輸出緩沖器13的輸入端相連，輸出緩沖器13輸出的時鐘信號CKout送給其它電路使用；Mnl的柵極與Mpl的柵極還與幅度檢測電路121的輸入端相連，幅度檢測電路121的輸出端接比較器122的一個輸入端；比較器122的另一輸入端接參考電平Vref,比較器122的輸出端接組合邏輯編碼器123的輸入；所述組合邏輯編碼器123的輸入接所述比較器的輸出，所述組合邏輯編碼器123的輸出端與可編程尾電流源124相連，向可編程尾電流源124輸出電流控制字IbCode ；因比較器122輸出比較結果(Comparator Output, CmpOut)只能是邏輯I或邏輯O,因此組合邏輯編碼器123根據(jù)比較結果CmpOut可以得到兩個電流控制字O或N，假設電流控制字IbCode = O對應可編程尾電流源124的最小電流值Inorm，電流控制字IbCode =N對應可編程尾電流源124最大電流值Imax，幅度檢測電路121具有負檢測特性，即輸入幅度越大，輸出直流電壓Vc單調下降，其工作原理包括:`
晶體振蕩器剛剛上電的時候，幅度非常小，幾乎為0，幅度檢測電路121檢測晶體振蕩器的振蕩幅度，并輸出與振蕩幅度相對應的較高的直流電壓Vc ;Vc和參考電壓Vref通過比較器122進行比較；Vc大于Vref，比較器122輸出比較結果CmpOut為邏輯I ;組合邏輯編碼器123根據(jù)比較結果CmpOut為邏輯I產生相應的電流控制字IbCode = N，可編程尾電流源124根據(jù)電流控制字IbCode = N產生最大電流值Imax，晶體振蕩器在Imax電流偏置下，開始加速起振，幅度也開始加速增大，幅度檢測電路121的輸出Vc開始逐漸下降；一旦Vc低于Vref，比較器122開始翻轉，比較結果CmpOut變?yōu)檫壿婳 ;組合邏輯編碼器123根據(jù)比較結果CmpOut為邏輯O產生電流控制字IbCode = 0，可編程尾電流源124根據(jù)電流控制字IbCode = O產生最小電流值Inorm,晶體振蕩器在Inorm的偏置電流下趨于穩(wěn)定?；蛘?，假設幅度檢測電路121具有正檢測特性，即輸入幅度越大，輸出直流電壓單調上升；則晶體振蕩器剛剛上電的時候，幅度非常小，幅度檢測電路121輸出與振蕩幅度相對應的較低的直流電壓Vc ;Vc和參考電壓Vref通過比較器122進行比較；Vc小于Vref，比較器122輸出比較結果CmpOut為邏輯O ;組合邏輯編碼器123根據(jù)比較結果CmpOut為邏輯O產生相應的電流控制字IbCode = N，可編程尾電流源124根據(jù)電流控制字IbCode = N產生最大電流值Imax,晶體振蕩器在Imax電流偏置下,開始加速起振,幅度也開始加速增大，幅度檢測電路121的輸出Vc開始逐漸上升；一旦Vc高于Vref，比較器122開始翻轉，比較結果CmpOut變?yōu)镮 ;組合邏輯編碼器123根據(jù)比較結果CmpOut為邏輯I產生電流控制字IbCode = 0,可編程尾電流源124根據(jù)電流控制字IbCode = 0產生最小電流值Inorm,晶體振蕩器在Inorm的偏置電流下趨于穩(wěn)定。圖5為圖4所示振蕩器的起振過程的振幅波形、輸出時鐘信號CKout波形及尾電流波形示意圖，請參考圖5:T1為電流一次切換的時間點，圖4所示電路的X處節(jié)點的波形表示振幅波形，由尾電流波形可以看出，尾電流在起振階段只有兩個值，最大電流值Imax和最小電流值Inorm,最小電流值Inorm也是振蕩穩(wěn)定后的電流值，Imax可以為Inorm的幾倍甚至十倍，該實施例中，參考電壓Vref的選取要確保在起振過程中電流切換只作用一次，而不會陷入電流大小不停切換的死循環(huán)中去，可以通過以下方式確定Vref的值:步驟一、給尾電流取一個固定值Inorm輸入給振蕩器，在多種仿真條件下檢測振蕩器的穩(wěn)定幅度，選出多種仿真條件(電源電壓、溫度、工藝的各種組合條件下)下檢測到的振蕩器的最小振蕩幅度為Ax ；步驟二、將振蕩幅度為Ax的正弦信號加在幅度檢測電路121的輸入端，幅度檢測電路121輸出檢測值，即直流電平Vcx，作為仿真值；步驟三、若幅度檢測電路121呈正檢測特性，則將Vref設置成大于Vcx預設余量；若幅度檢測電路121呈負檢測特性，則將Vref 設置成小于Vcx預設余量。優(yōu)選的，余量可以是Vcx的20%，如果幅度檢測電路121呈正檢測特性，則設置Vref = 1.2Vcx ;如果幅度檢測電路121呈負檢測特性，則設置Vref = 0.8Vcx ；本實施例為基于電流一次切換的振蕩器，實現(xiàn)了先大電流后小電流的切換，而切換的執(zhí)行僅僅依賴于對振蕩器振蕩幅度的檢測和判斷，因此有效加快了晶體振蕩器的起振速度；而且該電路的工作過程不依賴于外部控制信號，即電流切換信號由振蕩器內部產生；當電流從Imax切換到Inorm后，電流控制字IbCode將不再變化,此時整個環(huán)路相當于斷開，因此幅度檢測電路121、比較器122、組合邏輯編碼器123等模塊的噪聲不能作用于加速起振電路中，因此不惡化晶體振蕩器的相位噪聲。下面以兩次切換為例，圖6為本發(fā)明另一實施例一種振蕩器的不意圖，請參考圖6:相比于圖4所示電路結構，本實施例增加了一個比較器125，比較器122輸出比較結果CmpOutl，比較器125輸出比較結果Cmp0ut2，組合邏輯編碼器123根據(jù)比較結果CmpOutl和比較結果Cmp0ut2的三種組合方式11、00、01 (或10)可以得到三個電流控制字0、K或N，其中N>K>0，如果幅度檢測電路121呈負檢測特性，則可以設置Vrefl >Vref2 ;如果幅度檢測電路121呈正檢測特性，則可以設置Vrefl < Vref2，假設幅度檢測電路121呈負檢測特性，電流的切換過程包括:振蕩器剛剛上電的時候，幅度非常小，幾乎為0，幅度檢測電路121的輸出Vc較高，Vc > Vrefl > Vref2,因此比較結果CmpOutl為邏輯1，比較結果Cmp0ut2為邏輯I ;組合邏輯編碼器123根據(jù)比較結果CmpOutl和比較結果Cmp0ut2產生相應的電流控制字IbCode =N，可編程尾電流源124根據(jù)電流控制字IbCode = N產生最大電流值Imax，晶體振蕩器在Imax的偏置下,加速起振,幅度加速增大，Vc電壓逐漸下降；一旦Vrefl > Vc > Vref2,則比較器122開始反轉，輸出比較結果 CmpOutl為邏輯0，比較器125的輸出比較結果Cmp0ut2仍然是邏輯I ;組合邏輯編碼器123的輸出為電流控制字IbCode = K，可編程尾電流源124根據(jù)電流控制字IbCode = K產生中間電流值Imid (Imid為介于Inorm與Imax之間的某個中間值)；振蕩器在中間電流值Imid的偏置下,幅度繼續(xù)增大,但增大的速度已經放緩，Vc電壓繼續(xù)下降；一旦Vrefl > Vref2 > Vc,比較器125開始反轉，此時比較器122輸出比較結果CmpOutl為邏輯0，比較器125輸出比較結果Cmp0ut2為邏輯0，組合邏輯編碼器123的輸出為電流控制字IbCode = 0，可編程尾電流源124根據(jù)電流控制字IbCode = 0產生最小電流值Inorm ;晶體振蕩器在Inorm的偏置下,幅度仍然未達到最大,幅度將會繼續(xù)增大，直至穩(wěn)定。圖7為圖6所示振蕩器電流切換過程的示意圖，Tl為電流從Imax切換至Imid的時間點，T2為電流從Imid切換至Inorm的時間點。本實施例為基于電流兩次切換的振蕩器，實現(xiàn)了先大電流后小電流的切換，而切換的執(zhí)行僅僅依賴于對振蕩器振蕩幅度的檢測和判斷，因此有效加快了晶體振蕩器的起振速度；而且該電路的工作過程不依賴于外部控制信號，即電流切換信號由振蕩器內部產生；當電流從Imax切換到Inorm后，電流控制字IbCode將不再變化,此時整個環(huán)路相當于斷開，因此幅度檢測電路121、比較器122、比較器125、組合邏輯編碼器123等模塊的噪聲不能作用于加速起振電路中，因此不惡化晶體振蕩器的相位噪聲。本發(fā)明包括但不局限于電流一次或兩次切換，還可以是多次切換，此外，本發(fā)明提供的振蕩器包括但不局限于晶體振蕩器，以上內容是結合具體的實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種振蕩器加速起振的方法，其特征在于，包括: 在振蕩器上電后，根據(jù)振蕩器的振蕩幅度調整可編程尾電流源的電流控制字； 根據(jù)可編程尾電流源的電流控制字改變振蕩器的工作電流，由預設的最大電流值至預設的最小電流值。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)可編程尾電流源的電流控制字改變振蕩器的工作電流由預設的最大電流值至預設的最小電流值的過程包括:將振蕩器的工作電流由預設的最大電流值經一次或多次切換至預設的最小電流值。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述預設的最小電流值等于所述振蕩器振幅穩(wěn)定后的電流值。
4.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，根據(jù)振蕩器的振蕩幅度調整可編程尾電流源的電流控制字的步驟包括: 對振蕩器的振蕩幅度進行檢測，得到單調性的檢測值； 將所述檢測值輸入一個或多個比較器，各比較器的另一輸入端輸入不同的參考值，各比較器輸出比較結果； 對各比較器輸出的比較結果進行運算，根據(jù)運算結果確定電流控制字。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，還包括所述參考值的設定步驟: 利用可編程尾電流源給振蕩器提供所述最小電流值； 對多種仿真條件下所述振蕩器穩(wěn)定后的振蕩幅度進行檢測，得到最小振蕩幅度相應的檢測值，將所述最小振蕩幅度相應的檢測值作為仿真值； 若所述仿真值與振蕩器的振蕩幅度呈正檢測特性，則將所述參考值設置為大于所述仿真值預設余量；若所述仿真值與振蕩器的振蕩幅度呈負檢測特性，則將所述參考值設置為小于所述仿真值預設余量。
6.一種加速起振單元，其特征在于，包括幅度檢測單元、比較單元、運算單元和可編程尾電流源，所述幅度檢測單元的輸入端連接振蕩器，所述運算單元的輸出端連接用于給所述振蕩器提供工作電流的所述可編程尾電流源，其中， 所述幅度檢測單元用于在振蕩器上電后，對振蕩器的振蕩幅度進行檢測，得到單調性的檢測值； 所述比較單元用于將所述檢測值與預設的一個或多個參考值進行比較，并得到比較結果; 所述運算單元根據(jù)所述比較結果確定電流控制字，并輸出至所述可編程尾電流源； 所述可編程尾電流源用于根據(jù)所述電流控制字改變振蕩器的工作電流由預設的最大電流值至預設的最小電流值。
7.如權利要求6所述的加速起振單元，其特征在于，所述比較單元包括多個比較器，各比較器的其中一個輸入端輸入所述檢測值，另一個輸入端輸入不同的參考值，各比較器輸出比較結果；所述運算單元為組合邏輯編碼器，所述組合邏輯編碼器對各比較器輸出的比較結果進行運算，并根據(jù)運算結果確定電流控制字。
8.如權利要求6或7所述的加速起振單元，其特征在于，所述可編程尾電流源用于將振蕩器的工作電流由預設的最大電流值經一次或多次切換至預設的最小電流值。
9.一種振蕩器，其特征在于，包括權利要求6至8任一項所述的加速起振單元，所述加速起振單元用于根據(jù)振蕩器的振蕩幅度調整可編程尾電流源的電流控制字；根據(jù)可編程尾電流源的電 流控制字改變振蕩器的工作電流由預設的最大電流值至預設的最小電流值。
全文摘要
本發(fā)明公開一種振蕩器加速起振的方法、加速起振單元及振蕩器，該方法包括在振蕩器上電后，根據(jù)振蕩器的振蕩幅度調整可編程尾電流源的電流控制字；根據(jù)可編程尾電流源的電流控制字改變振蕩器的工作電流由預設的最大電流值至預設的最小電流值。本發(fā)明通過以上技術方案，提供一種更加完善的一種振蕩器加速起振的方法、加速起振單元及振蕩器。
文檔編號H03B5/06GK103166572SQ20111040922
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月9日 優(yōu)先權日2011年12月9日
發(fā)明者許建超 申請人:國民技術股份有限公司