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Dokumentenidentifikation DE60029583T2 28.06.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001181767
Titel QUARTZ-OSZILLATOR
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder CLARKE, David, Swindon SN2 4BB, GB
DE-Aktenzeichen 60029583
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 02.05.2000
EP-Aktenzeichen 009271222
WO-Anmeldetag 02.05.2000
PCT-Aktenzeichen PCT/EP00/03935
WO-Veröffentlichungsnummer 2000070741
WO-Veröffentlichungsdatum 23.11.2000
EP-Offenlegungsdatum 27.02.2002
EP date of grant 26.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.06.2007
IPC-Hauptklasse H03B 5/36(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H03B 5/32(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Quarzoszillator, und insbesondere auf eine Schaltung und ein Verfahren zum Abstimmen der Ausgangsfrequenz des Oszillators ohne Beeinträchtigung des Schwingens des Ausgangssignals.

Hintergrund der Erfindung

Die Mittelfrequenz, die durch einen Quarzoszillator erzeugt wird, kann durch Ändern oder Trimmen der Lastkapazität des Quarzes abgestimmt werden. Ein Beispiel eines derartigen Oszillators kann in WO 098/34338 gefunden werden.

Trimmen der Lastkapazität auf diese Art und Weise hat einen nachteiligen Effekt dadurch, dass das Schwingen des Ausgangssignals Gegenstand einer Änderung ist. Um diese Änderung zu kompensieren, ist bekannt, automatische Verstärkungssteuerung (AGC, automatic gain control) zu verwenden, um ein konstantes Schwingen der Ausgangsfrequenz aufrechtzuerhalten. Verwenden von RGC führt jedoch andere Effekte ein, die unerwünscht sein können, insbesondere wenn gewünscht wird, die Oszillatorschaltung als eine integrierte Schaltung herzustellen.

Zuerst ist zusätzliche Schaltungstechnik erforderlich, um AGC bereitzustellen. Dies führt zu zusätzlichen Kosten, und für tragbare Einrichtungen wichtiger noch zu zusätzlichen Energieversorgungsanforderungen. Die zusätzliche Schaltungstechnik, die durch AGC erforderlich ist, enthält einen Spannungspegeldetektor, einen Spannungsbezug, ein Filter und einen Komparator. Der Komparator wird bereitgestellt, um die Bezugsspannung mit dem erfassten Pegel zu vergleichen, und den Strom innerhalb des Oszillatorkerns entsprechend abzustimmen, um ein konstantes Schwingen zu erreichen.

Zweitens bildet die Hinzufügung von AGC-Schaltungstechnik eine Rückkopplungsschleife, was bedeutet, dass eine Einschwingzeit eingeführt wird, bevor auf ein gegebenes Ausgangsschwingen vertraut werden kann.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen Quarzoszillator, der getrimmt werden kann, mit einem konstanten Schwingen vorzusehen, aber ohne die oben erwähnten Nachteile aufzuweisen.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Quarzoszillatorschaltung bereitgestellt, umfassend:

eine abstimmbare Lastkapazität, umfassend eine Bank von Kondensatoren, und ein erstes Schaltmittel zum Umschalten der Kondensatoren in die oder aus der Schaltung, um eine bestimmte Mittelfrequenz zu erhalten; gekennzeichnet durch

eine Bank von Widerständen, und ein zweites Schaltmittel zum Umschalten der Widerstände in die oder aus der Schaltung, um einen Quarzkernstrom, der gezogen wird, in Übereinstimmung mit der gewählten Lastkapazität zu variieren.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bereitstellen einer gewünschten Ausgangsfrequenz von einer Quarzoszillatorschaltung bereitgestellt, das Verfahren umfassend die Schritte zum Abstimmen der Lastkapazität der Quarzoszillatorschaltung, um die gewünschte Ausgangsfrequenz zu erhalten, wobei die Lastkapazität durch Umschalten von einem oder mehr Kondensatoren von einer Bank von Kondensatoren in die oder aus der Schaltung abgestimmt wird, gekennzeichnet durch den Schritt zum:

Umschalten von einem oder mehr Widerständen in die oder aus der Schaltung, um einen Quarzkernstrom, der gezogen wird, in Übereinstimmung mit einer gewählten Lastkapazität zu variieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und um klarer zu zeigen, wie sie zur Wirkung gebracht werden kann, wird nun auf dem Weg eines Beispiels auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:

1 einen Quarzoszillator gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung

1 zeigt einen Quarzoszillator gemäß der vorliegenden Erfindung. Er umfasst einen Quarz 1 und eine Oszillatorschaltung 3 zum Bereitstellen eines Ausgangssignals 5. Die Oszillationsschaltung wird vorteilhafter Weise als eine integrierte Schaltung ausgebildet.

Zuerst wird eine Beschreibung der bekannten Komponenten der Oszillatorschaltung 3 gegeben. Die grundlegende Schwingungsschaltung wird um einen Quarz 1 herum ausgebildet, der über die Basis und den Kollektor eines Transistors Q1 verbunden ist. Es ist eine Lastkapazität Cmin parallel mit dem Quarz 1verbunden, und durch Q2 und einen Widerstand Rmin wird eine Stromquelle bereitgestellt.

Wie in der Technik gut bekannt ist, ist Q3 vorgesehen, um eine Differenzialverstärkerschaltung zu bilden.

An Stelle einer Übernahme des Ausgangssignals direkt von den Kollektoren von Q1 und Q3 wird ein zweites Differenzialpaar Q4, Q5 bereitgestellt. Q4 hat seine Basis zu der gleichen Spannung wie die von Q3 vorgespannt, d.h. in einer vorbestimmten Spannung über einen entkoppelnden Kondensator 31 und Widerstand 33 durch eine Vorspannspannung Vbias fixiert. Q5 hat seine Basis zu der gleichen Spannung wie die von Q1 vorgespannt. Die Bereitstellung des zweiten Differenzialpaars bedeutet, dass die Oszillatorschaltung (basierend um Q1 herum) durch den Ausgang nicht geladen wird, da das Ausgangssignal über den Kollektoren von Q4 bzw. Q5 genommen wird, und weiter durch Komparator 29 begrenzt wird, um ein standardmäßiges CMOS-Taktsignal (clk-out) bereitzustellen.

Um die Ausgangsfrequenz abzustimmen, hat die Schwingungsschaltung 3 eine Bank von Lastkondensatoren C1 bis C6. Jeder Kondensator C1 bis C6 kann mit Cmin durch schließende Paare von jeweiligen Schaltern 9 bis 19 parallel verbunden sein. Jedes Schalterpaar wird durch eine jeweilige von einer Gruppe von Steuerleitungen D0 bis D5 gesteuert. Die gewünschte Ausgangsfrequenz kann deshalb durch Auswählen der geeigneten Lastkapazität auf eine Weise ausgewählt werden, die einem Fachmann bekannt ist.

Gemäß der Erfindung wird, um beliebigem Schwingen in dem Ausgangssignal entgegenzuwirken, eine Bank von Stromschaltern bereitgestellt. Jeder Stromschalter umfasst einen Widerstand R1 bis R4 und einen zugehörigen Schalter T1 bis T4 (vorzugsweise FETs). Jeder Stromwiderstand R1 bis R4 kann in die Schaltung durch eine jeweilige der Steuerleitungen D2 bis D5 geschaltet werden. Obwohl es möglich ist, feinere Korrektur durch Vorhandensein zusätzlicher Widerstandswerte zu erhalten, die mit Steuerleitungen D0 und D1 in Verbindung stehen, würden die Widerstandswerte für eine derartige feine Korrektur für eine Anwendung einer integrierten Schaltung zu groß. Deshalb wurden in der bevorzugten Ausführungsform Stromwiderstände weggelassen, die durch Leitungen D0 und D1 gesteuert werden.

Eine Auswahl einer bestimmten Lastkapazität unter Verwendung von Steuerleitungen D0 bis D5 wird einen bestimmten Wert vom Emitterwiderstand des Transistors Q2 auswählen, und wird daher veranlassen, dass ein unterschiedlicher Oszillatorkernstrom ausgewählt wird. Die Werte der Widerstände R1–R4 können ausgewählt werden, einen Kernstrom zu erzeugen, der dadurch beliebiges Schwingen in dem Oszillatorausgangssignal kompensiert.

Steuerleitungen D0 bis D5 werden durch ein Register 21 eingestellt, dass hierin als ein "Trimm"-Register bezeichnet wird. Der Wert, der auf den Steuerleitungen D0–D5 von dem Trimmregister 21 ausgegeben wird, wird durch einen Basisbandprozessor 23 gemäß der Ausgangsfrequenz eingestellt, die durch eine Frequenzmesseinrichtung 7 gemessen wird.

Im Betrieb ist unter nominalen Bedingungen der Mittel- oder der Startpunkt für den Oszillator, wobei Steuerleitung D5 aktiv, und Steuerleitungen D4 bis D0 nicht-aktiv sind. Dies bedeutet, dass Schalter 19a und 19b geschlossen sind, wobei dadurch C6 mit Cmin über dem Quarz 1 parallel verbunden ist. Wenn Steuerleitung D5 aktiv ist, wird des weiteren der Stromschalter T4 eingeschaltet, sodass Widerstand R4 mit Rmin parallel verbunden ist, wobei dadurch der Oszillatorkernstrom eingestellt wird.

Mit diesen anfänglichen Startbedingungen wird die Ausgangsfrequenz durch die Frequenzmesseinrichtung 7 gemessen. Die Frequenzmessung kann z.B. während eines Produktionstests der Einrichtung stattfinden. Falls die Frequenz nicht innerhalb des Bereiches ist, wird der Basisbandprozessor 23 über Bus 25 adressiert.

Abhängig davon, wie viel die Ausgangsfrequenz abzustimmen ist, wird der Basisbandprozessor über einen neuen Datenwert entscheiden, der zu dem 6-Bit-Trimmregister 21 zu senden ist, wobei dadurch die Werte D0 bis D5 gesetzt werden. Der Trimmwert kann somit verwendet werden um zu ändern, welche Lastkapazitäten C1 bis C6 mit dem Quarz 1 parallel zu verbinden sind, und gleichzeitig den Kernstrom durch Einschalten des geeigneten Stromwiderstands R1 bis R4 abzustimmen.

Eine Änderung der Lastkapazität wird die Ausgangsfrequenz ändern, und in der Theorie versuchen, das Schwingen des Ausgangssignals zu ändern. Da der Trimmwert auch den Kernstrom ändern wird, wird jedoch das Ausgangsschwingen konstant gehalten.

Die Frequenzmessung und Einstellung des Trimmwertes kann iteriert werden, bis das Ausgangssignal die gewünschte Frequenz hat. Der Trimmwert wird dann in dem Speicher in dem Basisbandprozessor 23 permanent gehalten, und zu dem Trimmregister 21 beim Hochfahren zurückgerufen, um die richtige Frequenz für die Lebensdauer des Oszillators sicherzustellen.

Das Sechs-Bit-Trimmregister ermöglicht, dass vierundsechzig Werte einer Lastkapazität zum Abstimmen der Frequenz des Oszillators ausgewählt werden.

Die oben beschriebene Erfindung hält ein konstantes Schwingen in dem Oszillatorausgang aufrecht, wenn sich die Last kapazität ändert, und erfordert weniger Strom als Einrichtungen vom Stand der Technik, die AGC verwenden. Auch ist die Schaltung einfach und erfordert nur die Hinzufügung von einfachen Stromschaltern in dem Oszillatorkern. Diese Merkmale, zusammen mit der Tatsache, dass große Kondensatoren nicht benötigt werden, bedeutet, dass weniger Siliziumfläche erforderlich ist, um die Erfindung in einer integrierten Schaltung zu realisieren.

Da es keine Rückkopplungsschleife gibt, gibt es des weiteren keine zugehörige Einschwingzeit, bevor ein zuverlässiges konstantes Schwingen erhalten wird.

Obwohl das Trimmregister 21 als ein Sechs-Bit-Register beschrieben wurde, kann es von einer beliebigen Größe sein. Es kann z.B. größer sein, falls ein größerer Grad an Abstimmbarkeit in der Ausgangsfrequenz erforderlich ist.

Obwohl die bevorzugte Ausführungsform vier Stromwiderstände R1–R4 zur Verwendung mit sechs Lastkapazitäten C1–C6 hat, kann das Verhältnis von Stromwiderständen zu Lastkondensatoren auch 1:1 sein, oder in der Tat irgendein anderes Verhältnis.

Obwohl die Erfindung in Verbindung mit Trimmen der Frequenz während eines Produktionstests beschrieben wurde, ist es des weiteren auch möglich, dass die Erfindung verwendet werden könnte, um die Frequenz während des Gebrauchs abzustimmen.


Anspruch[de]
Eine Quarzoszillatorschaltung, umfassend:

eine abstimmbare Lastkapazität, umfassend eine Bank von Kondensatoren (C1–C6) und erste Schaltmittel (919) zum Umschalten der Kondensatoren in die oder aus der Schaltung, um eine bestimmte Mittelfrequenz zu erhalten;

gekennzeichnet durch

eine Bank von Widerständen (R1–R4) und zweite Schaltmittel (T1–T4) zum Umschalten der Widerstände in die oder aus der Schaltung, um einen Quarzkernstrom, der gezogen wird, in Übereinstimmung mit der gewählten Lastkapazität zu variieren.
Eine Quarzoszillatorschaltung, wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei die ersten Schaltmittel (919) durch Steuerleitungen (D0–D5) gesteuert werden. Eine Quarzoszillatorschaltung, wie in Anspruch 2 beansprucht, wobei eine oder mehr der Steuerleitungen (D0–D5) auch verwendet werden, um die zweiten Schaltmittel (T1–T4) zu steuern. Eine Quarzoszillatorschaltung, wie in Anspruch 2 oder 3 beansprucht, wobei der Status der Steuerleitungen (D0–D5) durch ein Register (21) gesetzt wird, das einen Binärwert enthält, wobei jedes Bit des Binärwertes den Status einer jeweiligen Steuerleitung darstellt. Eine Quarzoszillatorschaltung, wie in Anspruch 4 beansprucht, wobei der Binärwert gemäß der Frequenz eingestellt wird, die in dem Ausgang des Oszillators gemessen wird. Ein Verfahren zum Bereitstellen einer gewünschten Ausgangsfrequenz von einer Quarzoszillatorschaltung, das Verfahren umfassend die Schritte zum Abstimmen der Lastkapazität der Quarzoszillatorschaltung, um die gewünschte Ausgangsfrequenz zu erhalten, wobei die Lastkapazität durch Umschalten von einem oder mehr Kondensatoren aus einer Bank von Kondensatoren in die oder aus der Schaltung abgestimmt wird, gekennzeichnet durch den Schritt zum:

Umschalten von einem oder mehr Widerständen in die oder aus der Schaltung, um einen Quarzkernstrom, der gezogen wird, in Übereinstimmung mit einer gewählten Lastkapazität zu variieren.
Ein Verfahren, wie in Anspruch 6 beansprucht, wobei der Schritt zum Umschalten von einem oder mehr Kondensatoren in die oder aus der Schaltung den Schritt zum Steuern von Schaltern (919) unter Verwendung von Steuerleitungen (D0–D5) umfasst. Ein Verfahren, wie in Anspruch 7 beansprucht, wobei eine oder mehr der Steuerleitungen (D0–D5) auch verwendet werden, um eine zweite Menge von Schaltern (T1–T4) zum Umschalten der Widerstände in die oder aus der Schaltung zu steuern. Ein Verfahren, wie in einem beliebigen von Ansprüchen 7 oder 8 beansprucht, wobei die Steuerleitungen (D0–D5) durch Einstellen eines Binärwertes in einem Register (21) gesteuert werden, wobei jedes Bit des Binärwertes den Status einer jeweiligen Steuerleitung darstellt. Ein Verfahren, wie in Anspruch 9 beansprucht, wobei der Binärwert gemäß der Frequenz eingestellt wird, die in dem Ausgang des Oszillators gemessen wird. Ein Verfahren, wie in einem beliebigen von Ansprüchen 6 bis 10 beansprucht, wobei die gewünschte Frequenz während der Herstellung der Quarzoszillatorschaltung eingestellt wird.






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