DE69815706T2

DE69815706T2 - Quarzoszillator mit automatischer verstärkungsregelung und on-chip-abstimmung

Info

Publication number: DE69815706T2
Application number: DE69815706T
Authority: DE
Inventors: Torbjörn GÄRDENFORS; Erik Bengtsson; H kan ENSTRÖM
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1997-10-31
Filing date: 1998-10-06
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2018-10-07
Also published as: EE200000188A; IL135830A0; DE69815706D1; CN1277752A; BR9813329A; KR100543680B1; CN1205740C; RU2216098C2; NO20002277D0; US6052036A; WO1999023753A1; NO20002277L; EE04291B1; AU9655798A; EP1025635A1; ID25636A; JP2001522185A; HK1033505A1; EP1025635B1; KR20010031089A

Description

HINTERGRUND
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Kristalloszillator und genauer, einen stabilen Einzelchip Spannungskontroll-Kristalloszillator mit automatischer Verstärkungsregelung.
Beschreibung der verwandten Technik
Radiofrequenz-Kommunikationstechnologien haben in den vergangenen Jahren dramatische Fortschritte erzielt. Z. B. sind die Anwendungen der drahtlosen Kommunikationstechnologie vielfach angewachsen und die Subscriber, die eine solche drahtlose Kommunikation verwenden, sind in ihrer Anzahl dramatisch angewachsen. Die zunehmende Verwendung digitaler Modulationstechniken, wie Zeitmultiplexverfahren (TDMA) und Codemultiplexverfahren (CDMA), erfordern zusammen mit dem substantiellen Anwachsen der Verkehrsdichte bei der Implementierung dieser Modulationstechniken, sowohl engere Trägerfrequenzabstände als auch abnehmende Modulationsbandbreite. Die Frequenzstabilität des Referenzoszillators wurde in dieser Umgebung immer wichtiger.
Während von einem Kristall gesteuerte Oszillatoren seit Jahrzehnten in elektronischen Systemen als Frequenzreferenzen verwendet wurden, variieren diese Oszillatoren weit in ihren Eigenschaften, wie in der Ausgabewellenform, Frequenzstabilität und Amplitudenstabilität unter verschiedenen Last-, Temperatur- und Stromversorgungsbedingungen. Viele dieser Oszillatoren wurden unter Verwendung bipolarer Transistoren als aktive Elemente implementiert. Die beherrschende Technologie für die Herstellung der meisten integrierten Schaltkreise ist jedoch heutzutage CMOS und die Entwurfstechniken für hoch stabile Kristalloszillatoren sind in dieser Technologie weniger bekannt.
Wie oben erwähnt, erfordern drahtlose Hochleistungs-Telekommunikationsanwendungen sehr genaue Referenzfrequenzquellen. Die Genauigkeit und Frequenzstabilität eines Oszillators werden im allgemeinen von verschiedenen Faktoren wie den Produktions-, Temperatur- und Alterungsänderungen beeinflußt, was eine Kompensation der Variationen der Oszillatorfrequenz erfordert. Neueste Konfigurationen von Oszillatorschaltkreisen, die Kompensationsschaltungen beinhalten, enthalten diese Kompensationsschaltkreise außerhalb des integrierten Schaltkreises, der den Oszillator selbst enthält. Dies ist vom Fertigungsstandpunkt aus teurer und aus der Sicht der Miniaturisierung weniger kompakt, einem wichtigen Faktor im modernen Design drahtloser Vorrichtungen.
Zwei wichtige Elemente beim Entwurf hoch stabiler Kristalloszillator-Schaltkreise sind die Kontrolle des Stromverbrauchs durch den Oszillator selbst und die Frequenzkompensation des Oszillators, sowohl für die Produktionsvarianten als auch die Temperaturschwankungen während des Betriebes. Bekannte Techniken, wie die im U. S. Patent Nr. 5,548,252 von Watanabi et al. aufgezeigten Techniken, haben versucht sich dieser Probleme anzunehmen. Dieses Patent veröffentlicht einen digitalen Temperatur kompensierten Kristalloszillator, der bestimmte Funktionen enthält, die für frequenzstabile Kristalloszillatoren wichtig sind; jedoch sind die Technik, die für die Kontrolle des Stromverbrauchs verwendet wird, ein sehr wichtiges Element im Entwurf eines Kristalloszillators für die Verwendung in drahtlosen Kommunikationsvorrichtungen, wie in zellularen Subscriberendgeräten, und die Techniken der Frequenzkompensation deutlich verschieden und weniger vorteilhaft als die im Oszillator der vorliegenden Erfindung enthaltenen Techniken.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einer Hinsicht enthält die vorliegende Erfindung einen von einem Kristall kontrollierten Oszillatorschaltkreis, der einen Oszillatorverstärker mit einem Ein- und Ausgang besitzt. Der Eingang ist mit einem Kristallresonator zur Erstellung einer Oszillation in einem vorbestimmten Frequenzbereich verbunden. Ein Amplitudendetektor wird kapazitiv mit dem Ausgang des Oszillatorverstärkers verbunden, um das Ausgabesignal des Oszillatorausgangs gleichzurichten und um das gleichgerichtete Signal einer Tiefpassfilterung zu unterziehen, um damit ein Gleichstromsignal proportional zum Niveau der Amplitude der Ausgabe zu erzeugen. Ein Regelkreis verbindet das Gleichstromsignal vom Amplitudendetektor zurück an die Stromquelle des Oszillatorverstärkers um das Niveau der Amplitude der Oszillatorausgabe auf eine vorbestimmten Wert zu regeln und den Stromverbrauch des Oszillatorschaltkreises zu begrenzen.
In einer anderen Hinsicht enthält die vorliegende Erfindung einen von einem Kristall kontrollierten Oszillatorschaltkreis, der einen Oszillatorverstärker mit einem Ein- und Ausgang besitzt. Der Eingang ist mit einem Kristallresonator zur Erstellung einer Oszillation in einem vorbestimmten Frequenzbereich verbunden. Ein Resonatorbehälter-Kondensatorschaltkreis ist auch mit dem Eingang des Oszillatorverstärkers verbunden und hat einen Auswahlkapazitätswert um die Oszillationsfrequenz des Verstärkers auf einen vorbestimmten Wert abzustimmen. Der Behälterkondensator-Schaltkreis enthält zumindest einen variablen Spannungskondensator und ein Anfangswert der Spannung wird an den variablen Spannungskondensator angelegt, um den Resonatorbehälter-Kondensatorschaltkreis und damit den Oszillatorverstärker auf eine vorbestimmte Oszillationsfrequenz abzustimmen. Der Anfangswert der Spannung wird durch Erzeugung einer digitalen Zahl hergestellt, indem die digitale Zahl in einen dazu proportionalen analogen Wert konvertiert wird und dann der analoge Stromwert in einen dazu proportionalen Spannungswert konvertiert wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
Für das Verständnis der vorliegenden Erfindung und für zukünftige Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung kann jetzt auf die folgende Beschreibung zusammen mit den beiliegenden Abbildungen Bezug genommen werden, wobei:
1 ein schematisches Blockdiagramm ist, das die Komponenten des Kristalloszillators der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine Darstellung ist, die das allgemeine Verhältnis zwischen Kapazitäts- und Spannungsabhängigkeit eines NMOS-Transistors zeigt;
3 eine Darstellung ist, die den gesamten Kapazitätsbereich als eine Funktion einer parasitären Kapazität zeigt;
4 ein Blockdiagramm eines D/A-Konverters mit einem 4-Bit Dekodiersegment und einer 4-Bit Stromgewichtung ist, wie sie im Schaltkreis der vorliegenden Erfindung eingebaut sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
Der Kristalloszillator der vorliegenden Erfindung enthält einen Kristalloszillatorverstärker mit Kontrollschaltkreisen, worin alle Komponenten mit Ausnahme des Quarzkristalls in einem einzigen integrierten Schaltkreissubstrat integriert sind. Der CMOS Entwurf des Kristallkontrolloszillators der vorliegenden Erfindung enthält einen Spannungskontroll-Kristalloszillator (VCXO – voltage control crystal oszillator) mit einem automatischen Verstärkungsregler (AGC – automatic gain control) und sowohl eine Einchip-Abstimmung als auch eine Einchip-Temperaturkompensation (PTAT). Die zwei grundsätzlich vorteilhaften Funktionen des Oszillatorschaltkreises der vorliegenden Erfindung schließen ihre automatische Verstärkungsregelung-Schaltkreiskonfiguration mit ein, die den Stromverbrauch des Oszillators signifikant reduziert, und die Schaltkreiskonfiguration der Einchip-Frequenzkompensation sowohl für die Produktions- als auch Temperaturvariationen.
Beim Entwurf von digitalen drahtlosen Hochgeschwindigkeits-Telekommunikationsschaltkreisen besteht ein großer Bedarf an extrem genauen und hoch stabilen Frequenzreferenzquellen. Zusätzlich ist es sehr wünschenswert, in der Lage zu sein so viele Komponenten als möglich auf einem einzigen Substrat zu integrieren und den Schaltkreis unter den anderen gegebenen Randbedingungen so klein und billig wie möglich zu gestalten. Da viele moderne drahtlose Telekommunikationsvorrichtungen wie zellulare Funksubscriberstationen, mit einer Batterie betrieben werden, ist auch der Stromverbrauch aller Schaltkreise innerhalb einer Vorrichtung, mit Einschluß des Referenzkristalloszillators, sehr signifikant.
Zuerst beziehen wir uns auf die 1, in der ein Blockdiagramm eines Entwurfs eines Kristallkontrolloszillators der vorliegenden Erfindung gezeigt wird. Der Entwurf beinhaltet, vorzugsweise auf einem Einzelchip 11, einen Oszillatorverstärker 12, der mit einem Feld von Ladekondensatoren 13 verbunden ist, und einen externen Quarzkristall 14 zur Erstellung der Zentralfrequenz der Oszillation. Der Ausgang des Oszillatorverstärkers 12, der einen Standard-Pierce-Oszillator enthalten kann, ist mit einem Amplitudendetektor 15 verbunden, dessen Ausgang in einem automatischen Verstärkungsregelkreis (AGC) 16 zurück an den Oszillatorverstärker 12 gekoppelt ist.
Die Ladekondensatoren 13 enthalten erste und zweite Behälterschaltkreiskondensatoren C₁ und C₂. Der festgelegte Kondensator C₂ ist mit dem variablen Spannungskondensator C_varicap in Serie geschaltet. Der variable Spannungskondensator C_varicap ist mit dem Ausgang des Summierungsschaltkreis 17 verbunden, dessen einer Eingang mit einem Strom/Spannungskonverter (I–V) 18 verbunden ist. Der andere Eingang zum Summierungsschaltkreis 17 ist mit einem zur absoluten Temperatur proportionalen Kompensations-Schaltkreis (PTAT) 19 verbunden. Der Eingang des Strom/Spannungskonverter 18 wird von einem D/A-Konverter (D/A) 21 angesteuert, der ein digitales Eingangssignal von einem Zahlengenerator 22 erhält. Die Ausgangsspannungen des I–V-Konverters 18 und des PTAT-Schaltkreises 19 werden im Schaltkreis 17 summiert und verbunden, um den variablen Spannungskondensator C_varicap zu steuern und um dabei seinen Kapazitätswert zu bilden. Änderungen im Kapazitätswert von C_varicap ändern die gesamte Ladekapazität 13 des Oszillatorverstärkers 12 und daher seine Oszillationsfrequenz.
Der von einem Kristall gesteuerte Oszillator der 1 enthält eine sehr genaue Referenzfrequenz, die im Grunde genommen unter allen Betriebsbedingungen sowohl in der Frequenz als auch in der Amplitude extrem stabil ist. Die Frequenz, mit der der Kristalloszillator oszilliert, wird partiell durch den Ladekondensator 13 festgelegt, der mit dem Oszillatorverstärker 12 verbunden ist. Durch die Änderung der gesamten Ladekapazität 13, die mit dem Oszillatorverstärker 12 verbunden ist, z. B. durch die Änderung des Kapazitätswertes des variablen Kondensators C_varicap, kann die Oszillationsfrequenz des Oszillationsverstärkers 12 auf eine spezielle Frequenz abgestimmt werden. Der Kapazitätswert der Komponente C_varicap wird durch ihren Spannungswert bestimmt und die an C_varicap angelegte Spannung wird durch das Summieren der beiden unterschiedlichen Spannungen im Summierungsschaltkreis 17 erzeugt. Diese Spannungen enthalten zuerst die Spannung aus dem Schaltkreis (PTAT) 19, die proportional zur absoluten Temperatur ist, und die Spannung aus dem Transwiderstandverstärker (dem I–V-Konverter 18), der den Strom aus dem D/A-Konverter 21 in einen Spannungswert konvertiert. Während des Herstellungsprozesses des Kristallkontrolloszillators wird ein digitaler Wert in das DAC21 mit Hilfe einer digitalen Eingabe 22 geschrieben, der den Oszillator bei seiner ursprünglichen Fertigung auf eine spezielle Frequenz kalibriert. Auf diese Weise kann eine Kompensation der Produktionsvariationen unmittelbar während des Fertigungsprozesses durchgeführt werden. Während des Betriebes liefert der PTAT-Schaltkreis 19 eine Spannung, die proportional zur umgebenden Temperatur des Chip 11 ist, auf dem der Oszillator aufgebaut ist, und kompensiert dabei die Temperaturschwankungen während der Betriebsbedingungen.
Der automatische Verstärkungsregelschaltkreis (AGC), der den Amplitudendetektor 15 und den AGC-Kreis 16 enthält, führt zwei wichtige Funktionen aus. Die erste Funktion ist es, eine hohe Kreisverstärkung im Oszillatorverstärker 12 während des erstmaligen Hochfahren zur Verfügung zu stellen, um eine Oszillation unter allen Betriebsbedingungen zu sichern. Die zweite Funktion ist es, die Oszillation des Oszillatorverstärkers 12 bei einem definierten Amplitudenwert während eines andauernden Betriebes aufrecht zuhalten, um Strom innerhalb des Schaltkreises zu sparen. Der Wert der Amplitude der Ausgabe des Oszillatorverstärkers 12 wird durch den Amplitudendetektor 15 erkannt und ein Signal, proportional zu dieser Amplitude, wird in den AGC-Kreis 16 zurückgeführt, um den Verstärkungsfaktor zu steuern. Innerhalb des Oszillatorverstärkers 12, regelt die Spannung des zurückgeführten Signals den Strom im Verstärker und damit die Vorwärtsverstärkung und die Kreisverstärkung des Verstärkers.
LADEKAPAZITÄTS-SCHALTKREIS
Der Resonatorbehälterschaltkreis 13 des Oszillatorverstärkers besteht aus den Kapazitäten C₁, C₂ und C_varicap. Diese Kapazitäten sind entworfen um eine gesamte Ladekapazität im Bereich von etwa 20 pF zu ergeben, im Einklang mit einem speziellen exemplarischen Entwurf des Kristalloszillators 14. Die Frequenz mit der der Oszillator oszillieren wird, ist teilweise durch dessen Ladekapazität festgelegt. C₁ und C₂ können feste Kapazitäten sein, die direkt auf dem Substrat 11 gebildet werden, während C_varicap eine Spannungskontroll-Kapazität ist, die auch direkt auf dem Substrat gebildet wird. Der Kapazitätsbeitrag auf Grund parasitärer Kapazitäten, sowohl auf dem, als auch außerhalb des Substrates 11, müssen in die gesamte Ladekapazität eingerechnet werden.
Der variable Kondensator C_varicap wird dazu verwendet, die Variation in den folgenden Parametern zu kompensieren:

(1) Produktionstoleranzen in den Werten der festen Kapazitäten C₁ und C₂, gebildet auf dem Substrat 11;
(2) parasitäre Kapazitäten sowohl auf dem als auch außerhalb des Substrates 11;
(3) Temperaturfluktuation des Oszillatorschaltkreises; und
(4) Toleranz des Kristalloszillators 14.

Ein exemplarischer Wert des C_varicap-Kompensationsbereiches ist ±35 ppm. Dies ergibt eine gesamte Ladekapazitätänderung in der Größenordnung von 3.2 pF (unter der Annahme einer gesamten Ladekapazität von 20 pF), da eine exemplarische Trimmsensitivität des Kristalloszillators in der Größenordnung von 10.8 ppm/pF sein könnte.
Die C_varicap wird vorzugsweise als ein NMOS-Transistor gefertigt, wobei Quelle und Drain mit einem Terminal verbunden sind und das andere Terminal als das Gate verwendet wird. Der NMOS-Transistor wird in dem Inversionsbereich benutzt, wo die Kapazität mit der Gatespannung abnimmt so wie die Inversionsschicht wächst. 2 beschreibt eine Darstellung der Kapazitäts-/Spannungsabhängigkeit eines NMOS-Transistors, wobei der nützliche Bereich des Kondensators dargestellt wird. Nahe der Oxidschicht der NMOS-Vorrichtung erscheint ein dünne Verarmungsbereich auf Grund der unterschiedlichen Arbeitsfunktionen des Gatemetalls und des Halbleiters. Diese Verarmungsschicht wächst mit der angelegten Spannung und ist für den abnehmenden Wert der Kapazität im linken Teil der Darstellung verantwortlich. In der Mitte des Verarmungsbereiches (d. h. der untere Teil der dargestellten Kurve) verhält sich der Halbleiter grundsätzlich nahe der Oxidschicht und an diesem Punkt erreicht die Kapazität ihren tiefsten Wert. Wenn die Spannung weiter ansteigt, nähert sich der Halbleiter dem inversen Modus, eine leitende Schicht erscheint und schließt mehr und mehr den Effekt der angekommenen Verarmungsschicht aus, mit dem Resultat einer ansteigenden Kapazität.
Die festen Kapazitäten C₁ und C₂ sind genau in derselben Weise konstruiert wie die C_varicap, jedoch ist das Substrat unter dem Gateoxid heftig dotiert, so dass eine Inversionsschicht und ein von einer Spannung unabhängiger Kondensator erreicht werden.
Exemplarische Entwurfsparameter in einem Oszillator des Typs, der den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet, und der eine gesamte Ladekapazität C_total in der Größenordnung von 20 pF ± 3.2 pF bilden soll und der den gewünschten Abstimmungsbereich erzeugen soll, beinhalten: C₁ = 123 pF; C₂ = 70 pF; und C_varicap = 14.5–39 pF. Diese sind repräsentative Werte und sind mit Bezug auf die Einflüsse der parasitären Kapazitäten optimiert.
3 ist eine Darstellung, die die gewünschte und aktuelle C_total als eine Funktion der parasitären Kapazitäten C_par beschreibt. Die Funktion erhält man, wenn C_par in dem exemplarischen Bereich von 1.5–4 pF ist. Die parasitären Kapazitäten auf dem Chip werden etwa auf 1 pF geschätzt. Die parasitären Kapazitäten außerhalb des Chip können im Bereich von 0.5–3.0 pF sein, was bedeutet, dass der Entwurf relativ unempfindlich mit Bezug auf die parasitären Kapazitäten der gedruckten Leiterplatte ist, auf der der Chip montiert ist.
D/A-KONVERTERSCHALTRREIS
Während der Fertigung des von einem Kristall gesteuerten Oszillators der vorliegenden Erfindung wird die Frequenz auf einen speziellen Wert kalibriert. Dies wird durch das Schreiben eines digitalen Wortes in einen D/A-Konverter (DAC) 21 durchgeführt. Der Strom aus dem DAC21 wird dann in eine Ausgangsspannung konvertiert, die an den C_varicap angelegt wird. Die Kapazität des C_varicap und daher die gesamte Ladekapazität 13 des Oszillatorverstärkers 12 wird geändert und die Frequenz der Oszillation wird auf den genauen gewünschten Wert eingestellt.
Der Entwurf eines D/A-Konverters für diese Anwendung umfaßt zahlreiche Betrachtungen, einschließlich Geschwindigkeitsbegrenzungen, Monotonie, belegte Chipfläche und Stromverbrauch. Monotonie ist für diese Anwendung wichtig, da der DAC Teil eines Regelkreises während der Kalibrikation ist und ein lokales Maximum oder Minimum in der Ausgangsfunktion können eine Kalibrikation unmöglich machen. Der Stromverbrauch ist auch wichtig, da der Oszillator mit einer Batterie versorgt wird. Der Strom basierte DAC21 besteht aus durch Strom gewichteten 4-Bit-Schaltern , die in Blöcken organisiert sind und aus einem 4-Bit-Segmentdekoder 32. Der Eintritt eines digitalen Wortes in den Eingang 33 erzeugt einen entsprechenden Strom am Ausgang 34. Wie in 4 dargestellt, ist jeder der Blöcke 31 mit den 4 niedrigstwertigen Bits (LSB) verbunden. Die vier höchstwertigen Bits (MSB) werden per Segment dekodiert und schalten die Blöcke mit höheren Eingabewerten aktiv. Ein neuer Strom wird zum vorhergehenden Strom mit höheren Eingangswerten addiert. Auf diese Weise wird Monotonie mit dem in 4 erklärten Schaltkreis garantiert.
Verhältnis zur absoluten Temperatur Schaltkreis
Der Schaltkreis 19 wird proportional zur absoluten Temperatur (PTAT) benutzt, um die Variationen im Oszillatorschaltkreis zu kompensieren, die auf Grund der Temperaturschwankungen des Substrates 11 auftreten. Der PTAT-Schaltkreis 19 erzeugt eine Spannung, die proportional zur Temperatur des Chip ist. Diese Spannung wird in der Summierungseinheit 17 zur Spannung addiert, die vom Ausgabestrom des DAC21 erhalten wird, und ihre Summe wird an das Terminal angelegt. Daher ändert die Variation im Wert C_varicap die gesamte Kapazität der lokalen Kondensatoren 13, um die Frequenz der Oszillation zu ändern. Die gesamte Ladekapazität wird deshalb vom PTAT-Schaltkreis 19 geändert, um die Frequenz des Oszillatorverstärkers 12 wegen der Variationen in der Temperatur zu kompensieren. Die PTAT-Ausgangsspannung basiert auf der Temperaturabhängigkeit eines MOS-Transistors und besteht aus der Aufnahme einer stabilen Referenzspannung und der Verbindung dieser mit einem Spannungsteiler, der einen stark dotierten Widerstand mit einem negativen Temperaturkoeffizienten enthält.
Strom/Spannungskonverter
Der Strom/Spannungskonverter (I–V) 18 konvertiert den Strom aus DAC21 in eine Spannung und addiert sie zur Spannung aus dem PTAT 19. Der I–V-Konverter 18 ist als ein Transwiderstands-Verstärker aufgebaut und besteht aus einem zwei Stufen Operationsverstärker mit einem Widerstand, der zwischen dem Ausgang und dem negativen Eingang verbunden ist. Der Strom aus dem DAC21 wird an den negativen Eingang gelegt und die Spannung aus dem PTAT 19 wird an den anderen Eingang des Operationsverstärker gelegt. Das Ausgangsresultat ist die Summe dieser beiden Eingangsspannungen, repräsentiert als ein Summierer 17, der an die C_varicap angelegt wird.
Oszillatorverstärker
Der Oszillatorverstärker 12 ist als Differentialverstärker mit einem einzigen Ausgang aufgebaut, der eine hohe, leicht einstellbare Verstärkung zur Verfügung stellt. Der Verstärker ist mit einer Eingangsspannung vorgesehen, die die Stromquelle in dem Verstärker kontrolliert. Eine Spannung wird durch den automatischen Verstärkungsregler (AGC) an diesen Eingang gelegt und der Kreisgewinn wird auf einen geeigneten, durch den AGC 16 kontrollierten Wert geregelt.
Während des Hochfahren, wenn es keine Oszillation gibt, liefert der AGC 16 ein Rückkopplungssignal an den Verstärker, das einen maximalen Strom im Verstärker ermöglicht. Dies resultiert in einem sehr hohen Kreisgewinn, und stellt dabei sicher, dass die Oszillationsamplitude aus der Störung im Verstärker selbst herauswächst. Sobald die Oszillationsamplitude wächst, reduziert der AGC 16 den Strom im Oszillatorverstärker und damit den Kreisgewinn. Bei einer Oszillation im stabilen Zustand stellt der AGC 16 eine Oszillation bei einem definierten, niedrigen Amplitudenwert ein. Der Strom wird bei Normalbetrieb gerade oberhalb seines kritischen Wertes begrenzt und der Stromverbrauch wird dabei auf einem minimalen Wert gehalten. Die Amplitudenregelung eliminiert auch nicht lineare Effekte im Verstärker, die andernfalls die Frequenzstabilität des Oszillators verschlechtern könnten.
AGC-Kreis
Das Ausgangssignal aus dem Oszillatorverstärker 12 wird an eine Kapazität gekoppelt, um irgendwelche Gleichstromkomponenten zu eliminieren und gleichgerichtet und in einem Tiefpaß gefiltert, um in einem Amplitudendetektor 15 ein Signal proportional zur Amplitude der Oszillation zu erhalten. Das Signal aus dem Amplitudendetektor 15 wird an die Stromquelle des Verstärkers zurück gekoppelt und regelt daher die Oszillationsamplitude des Schaltkreise auf einen vorbestimmten Wert, um den Stromverbrauch des Verstärkers exakt auf ein vorbestimmtes minimalen Wert zu steuern.
Wie man aus der obigen Beschreibung erkennen kann, liefert der Kristalloszillator der vorliegenden Erfindung zwei sehr wünschenswerte Funktionen für einen hoch stabilen Kristallkontrolloszillator zur Verwendung in elektronischen Schaltkreisen, die einen hohen Grad von Präzision und Dichte erfordern. Genauer gesagt liefert der Oszillator der vorliegenden Erfindung einen AGC-Schaltkreis, der sowohl den zuverlässigen Start beim Hochfahren der Oszillation als auch eine sorgfältige Kontrolle des Stromverbrauchs durch den Oszillator während des Betriebes. Zusätzlich liefert der Oszillator der vorliegenden Erfindung hoch zuverlässige und genaue Einrichtungen zur Frequenzkompensation des Oszillators für Fertigungsvariationen als auch für Temperaturschwankungen während des Betriebes des Oszillators.
Obwohl bevorzugte Ausführungen des Verfahrens und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung in den beiliegenden Abbildungen dargestellt wurden und der vorhergehenden Beschreibung geschildert wurden, ist es klar, dass die Erfindung nicht auf die veröffentlichten Ausführungen beschränkt ist, sondern in der Lage ist zahlreiche neue Anordnungen, Modifikationen und Substitutionen durchzuführen, ohne von der Zielsetzung der Erfindung abzuweichen, die in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Ein von einem Kristall kontrollierter Oszillatorschaltkreis, enthaltend: einen Oszillatorverstärker (12) mit einem Ein- und einem Ausgang, wobei der Eingang mit einem Kristallresonator (14) zur Bereitstellung einer Oszillation in einem vorbestimmten Frequenzbereich verbunden ist; eine Einrichtung zur Gleichrichtung des Ausgangssignals aus dem Oszillatorverstärker; eine Einrichtung zur kapazitiven Kopplung der Ausgabe des Oszillatorverstärkers mit den Gleichrichtungseinrichtungen; dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreis folgendes enthält: eine Einrichtung zur Tiefpassfilterung des Ausgangssignals der Gleichrichtungseinrichtung, um ein Gleichstromsignal proportional zur Amplitude der Ausgabe des Oszillatorverstärkers zu erzeugen; und ein Rückkopplungskreis zur Verbindung des Gleichstromsignals aus der Tiefpass-Filtereinrichtung zurück an eine Stromquelle des Oszillatorverstärkers, um das Amplitudenniveau der Oszillatorausgabe auf einen vorbestimmten Wert zu regeln und um den Stromverbrauch des Oszillatorschaltkreises zu begrenzen.
Ein von einem Kristall kontrollierter Oszillatorschaltkreis, wie in Anspruch 1 definiert, worin der Oszillatorverstärker einen Differentialverstärker mit einer Spannungseingabe zur Kontrolle der Stromquelle innerhalb des Verstärkers enthält, um die Kreisverstärkung des Verstärkers auszubauen.
Ein von einem Kristall kontrollierter Oszillatorschaltkreis, wie in Anspruch 1 definiert, worin der Rückkopplungskreis beim Hochfahren ein Signal an die Stromquelle des Oszillatorverstärkers liefert, das einen maximalen Strom innerhalb des Verstärkers erlaubt, um eine sehr hohe Kreisverstärkung zu erzeugen und um eine Oszillation im Verstärker zu induzieren.
Ein von einem Kristall kontrollierter Oszillatorschaltkreis, wie in jedem der vorhergehenden Ansprüche definiert, der weiterhin eine Abstimmungseinrichtung zur Abstimmung des Oszillatorverstärkers enthält.
Ein von einem Kristall kontrollierten Oszillatorschaltkreis, wie er in Anspruch 4 definiert ist, wobei die Abstimmungseinrichtung einen Resonatorbehälter-Kondensatorschaltkreis enthalten, der mit dem Eingang des Oszillatorverstärkers verbunden ist und der eine Auswahlwert der Kapazität besitzt, um die Oszillationsfrequenz des Verstärkers auf einen vorbestimmten Wert abzustimmen, wobei der Behälterkondensator-Schaltkreis zumindest einen variablen Spannungskondensator enthält.
Ein von einem Kristall kontrollierter Oszillatorschaltkreis, wie in Anspruch 5 definiert, wobei der Resonatorbehälter-Kondensatorschaltkreis weiterhin eine Einrichtung zur Erstellung eines Anfangswertes einer Spannung entlang des variablen Spannungskondensators enthält, um den Resonatorbehälter-Kondensatorschaltkreis, und damit den Oszillatorverstärker, auf eine vorbestimmte Frequenzoszillation abzustimmen.
Ein von einem Kristall kontrollierter Oszillatorschaltkreis, wie in Anspruch 6 definiert, worin die Einrichtung zur Erstellung eines Anfangswertes einer Spannung folgendes enthalten: eine Einrichtung zur Erzeugung einer digitalen Zahl; eine Einrichtung zum Konvertieren dieser digitalen Zahl in einen analogen Stromwert proportional zum Wert der digitalen Zahl; eine Einrichtung zum Konvertieren des analogen Stromwertes in einen zu diesem Stromwert proportionalen Spannungswert; und eine Einrichtung zur Kopplung des Spannungswertes an den variablen Spannungskondensator, um dessen Kapazitätswert einzurichten.
Ein von einem Kristall kontrollierten Oszillatorschaltkreis, wie in einem der Ansprüche 5 bis 7 definiert, der weiterhin eine Temperaturkompensations-Spannungseinrichtung zur Abstimmung des Kapazitätswertes des variablen Spannungskondensators enthält, als Antwort auf Temperaturschwankungen in den Schaltkreisen, und um die Oszillationsfrequenz auf dem vorbestimmten Wert beizubehalten.
Ein von einem Kristall kontrollierter Oszillatorschaltkreis, wie in Anspruch 6 definiert, der weiterhin folgendes enthält: eine Einrichtung zur Erstellung eines Spannungswertes zur Temperaturkompensation; und einen Summierungsschaltkreis zum Summieren des Spannungswertes zur Temperaturkompensation mit dem Anfangswert der Spannung, um eine Spannung zur Erstellung des Kapazitätswertes des variablen Spannungskondensators zu bilden.
Ein von einem Kristall kontrollierter Oszillatorschaltkreis, wie in einem vorhergehenden Anspruch definiert, worin all Komponenten auf einem einzigen Substrat erstellt sind.
Ein Verfahren zur Erzeugung eines Oszillatorausgangssignals, während der Stromverbrauchs des Oszillatoos geregelt wird, das folgendes enthält: Bereitstellen eines Oszillatorverstärkers mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei der Eingang mit einem Kristallresonator zur Erstellung der Oszillation in einem vorbestimmten Frequenzbereich verbunden ist; Gleichrichten des Ausgangssignals aus dem Oszillatorverstärker; kapazitives Koppeln der Ausgabe des Oszillatorverstärkers an die Gleichrichtungseinrichtungen; Tiefpassfiltern des Ausgabesignals aus den Gleichrichtungseinrichtungen, um ein Gleichstromsignal proportional zur Amplitude des Ausgabe des Oszillatorverstärkers zu erzeugen; und Verbinden des Gleichstromsignals in einem Rückkopplungskreis zurück an eine Stromquelle des Oszillatorverstärkers, um das Amplitudenniveau der Oszillatorausgabe auf einen vorbestimmten Wert zu regeln und den Stromverbrauch des Oszillatorschaltkreises zu beschränken.
Ein Verfahren, wie in Anspruch 11 definiert, worin der Oszillatorverstärker einen Differentialverstärker besitzt und worin die Stromquelle innerhalb des Verstärkers durch eine Spannungseingabe kontrolliert wird, um die Kreisverstärkung des Verstärkers einzurichten.
Ein Verfahren, wie in Anspruch 12 definiert, das weiterhin den Schritt der Lieferung eines Signals an die Stromquelle des Oszillatorverstärkers beim Hochfahren enthält, um einen maximalen Strom innerhalb des Verstärkers zu erlauben, um eine sehr hohe Kreisverstärkung zu erzeugen und eine Oszillation innerhalb des Verstärkers zu induzieren.
Ein Verfahren, wie in jedem einzelnen der Ansprüche 11 bis 13 definiert, das weiterhin den Schritt der Abstimmung des Oszillatorverstärkers enthält.
Ein Verfahren, wie in Anspruch 14 definiert, worin der Oszillatorverstärker unter Verwendung eines Resonatorbehälter-Kondensatorschaltkreises, der mit dem Eingang des Oszillatorverstärkers verbunden ist, abgestimmt wird und er einen Kapazitätsauswahlwert besitzt, um die Frequenz der Oszillation des Verstärkers auf einen vorbestimmten Wert abzustimmen, und worin der Behälter-Kondensatorschaltkreis zumindest einen variablen Spannungskondensator enthält.
Ein Verfahren, wie in Anspruch 15 gefordert, worin ein Anfangswert einer Spannung entlang des variablen Kondensators aufgebaut wird, um den Resonatorbehälter-Kondensatorschaltkreis, und deshalb den Oszillatorverstärker auf eine vorbestimmte Frequenz der Oszillation abzustimmen.
Ein Verfahren, wie in Anspruch 16 gefordert, worin der Anfangswert der Spannung durch das Folgende erstellt wird: Erzeugen einer digitalen Zahl; Umsetzen dieser digitalen Zahl in einen analogen Stromwert, proportional zum Wert der digitalen Zahl; Umsetzen des analogen Stromwertes in einen Spannungswert, proportional zum Stromwert; und Verbinden des Spannungswertes mit dem variablen Spannungskondensator, um dessen Kapazitätswert auszubauen.
Ein Verfahren, wie in jedem einzelnen der Ansprüche 15 bis 17 definiert, weiterhin folgende Schritte enthaltend: Hinzufügen eines Spannungswertes zur Temperaturkompensation zu dem Anfangswert der Spannung, um auch den Kapazitätswert des variablen Spannungskondensators abzustimmen, als Antwort auf Temperaturschwankungen in den Schaltkreisen und um die Frequenz der Oszillation auf dem vorbestimmten Wert beizubehalten.
Ein Verfahren, wie in Anspruch 16 definiert, weiterhin folgende Schritte enthaltend: Aufbauen eines Spannungswertes zur Temperaturkompensation; und Summieren dieses Spannungswertes zur Temperaturkompensation mit dem Anfangswert der Spannung, um eine Spannung zu formen, um den Kapazitätswert des variablen Spannungskondensators zu erstellen.
Ein Verfahren, wie in jedem einzelnen der Ansprüche 11 bis 19 definiert, worin alle Komponenten auf einem Substrat gebildet werden.