專利名稱：對電子振蕩器精調(diào)的改善的制作方法
技術領域：
本發(fā)明有關于對電子振蕩器精調(diào)的改善，其涉及一種產(chǎn)生具有輸出頻率的輸出信號的方法，以及一種產(chǎn)生具有輸出頻率的輸出信號的電子振蕩器。
背景技術：
電子振蕩器為各種電氣裝置的重要和基本元件，其期望達到的目標當然是電子振蕩器的輸出頻率具有高精度。為了補償由制造公差和工作環(huán)境下的變化，比如電源電壓和溫度的波動，造成的輸出頻率的偏差，需要不斷地對電子振蕩器的頻率進行精調(diào)。眾所周知，這種補償是通過控制振蕩器電路內(nèi)的一個或多個電容器的值來實現(xiàn)的。使用開關改變連接到振蕩器電路的電容量，從而實現(xiàn)這種控制?？赏ㄟ^使用“調(diào)諧”機構調(diào)整元件值來達到所期望的振蕩頻率，這通常通過連接或斷開集成電路內(nèi)的并聯(lián)和/或串聯(lián)元件來實現(xiàn)。 在這些裝置中，頻率調(diào)諧不是連續(xù)的，而是包括一系列由頻率“階躍”所分離的離散頻率。最好將頻率階躍的大小最小化；然而，該頻率階躍的大小受到電路元件匹配誤差的限制。很難可靠地產(chǎn)生非常小的電容，開關會具有即使相關聯(lián)的電容器斷開也會存在的相關電容。而且，名義上相同的電容器之間的失配程度會隨著電容的減小而增大。這些因素為可獲得的最小頻率階躍設定了下限。眾所周知的克服最小電容/頻率階躍上的這些限制的解決方法為“顫振”技術，其中振蕩頻率在兩個或多個分離的頻率值之間變化。通常，對具有合理值的電容的連接進行顫振，以便電容連接振蕩器的時間僅為使用該振蕩器時所限定的時間部分。這樣，平均在時間上，電容器好像具有更小的電容，該值取決于其被連接的時間的比例(此文中稱為“顫振-部分”)。這就產(chǎn)生了頻率階躍大小，該頻率階躍大小由顫振-部分的控制精度確定，而非由尺寸最小的電容器確定。通常，以低于振蕩頻率的頻率進行顫振，即在某些振蕩器周期連接額外的電容， 在其他的振蕩器周期斷開這些額外的電容。該方法的優(yōu)點在于有效電容線性地取決于顫振-部分。當補償環(huán)境改變比如溫度波動造成的影響時，通常要確定在幾個校準點糾正頻率所需要的控制代碼，以及通過內(nèi)插法和外插法為其他條件計算該所需要的控制代碼。為了允許容易地進行必要的計算以及允許方便精確地進行頻率補償，如果在有效電容和顫振-部分之間實現(xiàn)線性關系則是極其有利的。然而，連接或斷開額外的電容時，顫振的頻率低于振蕩頻率，這就引起周期對周期的周期變化。相關的輸出波形在振蕩頻率的任一側(cè)具有額外的頻率元件以及每個周期內(nèi)并不恒定的波形周期。這就引起周期對周期的變化，即偏移，該偏移等于分離的離散頻率的周期之間的差值，該技術在這些分離的離散頻率之間顫振。在具有高品質(zhì)因數(shù)的振蕩器，比如晶體振蕩器內(nèi)，該高品質(zhì)為系統(tǒng)提供了某種程度的“惰性”，該惰性將偏移減小到一定程度， 但不會將其消除。具有媒質(zhì)或低品質(zhì)因數(shù)的振蕩器更容易受到這種類型的偏移的影響。EP 1793488，US 2007/024379以及我們自己先前的國際專利公開號WO 2009/056835提出了解決偏移問題的方法，其中振蕩器的運行頻率高于所期望的輸出頻率。分頻器用于獲得具有低偏移的單頻率不變化輸出。然而，該技術具有與更高的振蕩頻率相關的不期望的高功耗。因此，振蕩器最好以目標頻率運行。然而，如上所述，顫振技術目前使用以目標頻率運行的振蕩器，該技術具有周期對周期偏移的問題。

發(fā)明內(nèi)容
在至少一些實施例中，本發(fā)明解決了上述問題。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種產(chǎn)生輸出信號的方法，包括下列步驟提供電子振蕩器，該電子振蕩器具有切換裝置以及用于控制該切換裝置的控制裝置，該切換裝置允許該振蕩器在至少第一配置和第二配置之間切換，該第一配置具有相關第一振蕩器頻率和周期，該第二配置具有相關第二振蕩器頻率和周期；在至少第一配置和第二配置之間顫振所述振蕩器，以產(chǎn)生輸出信號，該輸出信號具有中間頻率和周期，其中通過在輸出信號頻率的連續(xù)周期上的每個輸出信號周期的預定子集進行從第一配置到第二配置的切換而實現(xiàn)顫振。這樣，所述顫振以輸出頻率或者比該輸出頻率高的頻率進行，比如通過在輸出信號的每個周期的限定部分(“顫振-部分”)連接電容。有利地，本發(fā)明的方法允許進行不遭受大的偏移的顫振。電子振蕩器的諧振曲線最好基本上為線性的，或者至少降低了非線性。術語“調(diào)諧特性”指有效電容和/或輸出頻率對顫振-部分的依賴性。下面描述本發(fā)明優(yōu)選的實施例，這些實施例減少了調(diào)諧特性的非線性。所述顫振最好以高于輸出頻率的頻率進行。優(yōu)選地，在每個輸出信號周期的預定子集進行的從所述第一配置到所述第二配置的切換受脈沖作用，因此在輸出信號頻率的連續(xù)周期的每個輸出信號周期產(chǎn)生多個脈沖，其中所述振蕩器在每個脈沖期間處于所述第二配置。為了減少調(diào)諧特性的非線性，尤其最好在每個輸出信號周期產(chǎn)生偶數(shù)個脈沖。有利地，在每個輸出信號周期產(chǎn)生至少四個脈沖，優(yōu)選地至少產(chǎn)生八個。有利地，在每個輸出信號周期內(nèi)基本上均勻地間隔開所述多個脈沖。所述多個脈沖可以被及時地基本上均勻地間隔開。對于正弦輸出信號，所述多個脈沖最好在每個輸出信號周期內(nèi)基本上均勻地間隔開并且及時地基本上均勻地間隔開。對于具有不同波形的輸出信號，可使用一種不同的方法，比如，所述多個脈沖在每個輸出信號周期內(nèi)可基本上均勻地間隔開，但并不是及時地基本上均勻地間隔開。在優(yōu)選的實施例中，所述顫振可變，以改變或糾正輸出信號的頻率；該輸出信號的頻率具有相關的輸出信號波形；每個脈沖具有相關的脈沖特征，該特征包括輸出信號頻率周期內(nèi)的接通時間以及輸出信號頻率周期內(nèi)的斷開時間，其中在接通時間，所述振蕩器從所述第一配置切換到所述第二配置，在斷開時間，所述振蕩器從所述第二配置切換到所述第一配置；其中通過在輸出信號頻率的每個周期內(nèi)改變至少一些脈沖的脈沖特征來改變顫振，以改變或糾正所述輸出頻率，使得至少一個脈沖的接通時間和/或斷開時間朝輸出信號波形的變化率的峰值移動，至少另一個脈沖的接通時間和/或斷開時間朝輸出信號波形的變化率的最小值移動，從而改善輸出頻率相對于顫振變化的線性度。本發(fā)明人已經(jīng)意識到當所述振蕩器在所述第一和第二配置之間切換時，輸出信號頻率取決于顫振-部分以及振蕩器波形的相位。這是因為所述切換裝置的打開和關閉會帶來一些電氣噪聲，使振蕩器相位發(fā)生變化。振蕩器相位發(fā)生變化的量取決于進行切換以及產(chǎn)生電氣噪聲時輸出信號波形的變化率。更具體地說，輸出信號波形變化率低的區(qū)域內(nèi) (比如正弦振蕩器波形的峰值附近)產(chǎn)生的噪聲具有相對較小的影響，而波形變化率高的區(qū)域內(nèi)(比如正弦振蕩器波形的中間點附近)產(chǎn)生的噪聲具有較大的影響。在本發(fā)明的這些優(yōu)選的實施例中，產(chǎn)生脈沖，使得脈沖調(diào)諧導致某些引發(fā)事件 (即接通和/或斷開)的噪聲發(fā)生在更靠近輸出信號波形變化率的峰值處，其他引發(fā)事件的噪聲發(fā)生在更靠近輸出信號波形變化率的最小值處，就電氣噪聲對輸出信號頻率的影響而言，各變化基本上互相抵消。使用四個或更多脈沖中的偶數(shù)個脈沖，可方便地達到該效果， 這些脈沖在每個輸出信號周期內(nèi)基本上均勻地間隔開。通過改變斷開時間可以方便地改變脈沖的脈沖特征，雖然也可以改變接通時間或改變接通時間和斷開時間。從控制的角度來看，如果脈沖改變的程度均相同，那么這就很方便；但技術人員應理解到，可使用其他更復雜的脈沖改變方法。最好使用脈寬調(diào)制信號進行切換，以控制切換裝置。但也可使用其他技術，比如使用Δ-Σ (delta-sigma)調(diào)制信號進行切換，以控制切換裝置。通常，所述振蕩器為可編程振蕩器，比如阻容振蕩器，但不完全如此。本發(fā)明也適合不可編程的振蕩器。通常，所述輸出信號為正弦波形，但不完全如此。本發(fā)明也可用于產(chǎn)生其他波形。所述脈沖可數(shù)字產(chǎn)生或者利用模擬控制產(chǎn)生?？墒褂帽炯夹g領域中熟知的多種技術中的一種技術或者組合技術在第一和第二配置之間切換振蕩器。比如，可將電器元件(比如電容器、電阻器或感應器)切換成連接到振蕩器或者從振蕩器斷開。在其他的實施例中，可使用電流或電壓切換，比如通過改變電源輸出或者通過切換電源陣列。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種產(chǎn)生輸出信號的電子振蕩器，包括切換裝置，其允許在至少第一配置和第二配置之間切換所述振蕩器，該第一配置具有相關第一振蕩器頻率和周期，該第二配置具有相關第二振蕩器頻率和周期；以及控制裝置，用于控制所述切換裝置，以便在至少所述第一配置和所述第二配置之間顫振所述振蕩器，以產(chǎn)生輸出信號，該輸出信號具有中間頻率和周期，其中通過在輸出信號頻率的連續(xù)周期上的每個輸出信號周期的預定子集進行的從第一配置到第二配置的切換而實現(xiàn)顫振。本發(fā)明的第二方面可包括上述本發(fā)明的第一方面的任何特征。本發(fā)明在如上描述的同時，還包括上面提出的和下面說明書、附圖或權利要求書中的任何發(fā)明組合。


現(xiàn)在參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明的電子振蕩器和方法的實施例，其中圖1為本發(fā)明的電子振蕩器的示意圖；圖2顯示每個周期使用一個顫振信號的振蕩器的(a)輸出信號和(b)顫振控制信號；
圖3顯示與圖2有關的振蕩器的頻率調(diào)諧特征；圖4顯示振蕩器的輸出信號和顫振控制信號，其中顫振控制信號在每個輸出周期包括四個均勻地間隔開的脈沖；以及圖5顯示了與圖4有關的振蕩器的頻率調(diào)諧特征。
具體實施例方式圖1為本發(fā)明的電子振蕩器的示意圖，總體用10表示。該電子振蕩器10包括具有電容器14的振蕩器12，該電容器14可通過切換裝置16切換成與振蕩器的其余部分連接或者斷開。這樣，通過打開和關閉該切換裝置16可改變振蕩器10的輸出頻率。該電子振蕩器10進一步包括倍頻器18，比如鎖相環(huán)路或延遲鎖定回路倍頻器。該倍頻器18產(chǎn)生輸出頻率N. f_osc，其中f_osc為該電子振蕩器的輸出頻率，N大于1。將該倍頻器的輸出頻率輸入控制裝置20。該控制裝置20在頻率為f_osc的輸出信號的每個周期輸出M個顫振脈沖，其中M為整數(shù)1或者更大的整數(shù)，優(yōu)選為2或者更大的整數(shù)，更優(yōu)選地為4或者更大的整數(shù)。顫振脈沖具有的脈寬在M/(N. f_osc)階躍內(nèi)可變。要理解的是，該控制裝置20 所產(chǎn)生的顫振控制脈沖的輸出頻率為M. f_osc，顫振的頻率必須高于輸出f_osc。發(fā)送該控制裝置20所輸出的顫振控制脈沖到切換裝置16，以控制電容14的顫振，從而控制輸出頻率 f_osc，該頻率由振蕩器12在22處輸出。圖2顯示了振蕩器的(a)輸出信號和(b)顫振控制信號，該振蕩器使用脈寬調(diào)制顫振信號改變振蕩器的頻率。在該示例中，每個周期內(nèi)的切換接通時間恒定，但是當顫振-部分變化時，斷開時間根據(jù)脈寬的變化而改變。圖3以顫振-部分的輸出頻率圖顯示了相關聯(lián)的頻率調(diào)諧特征。從圖3可以看出，該頻率調(diào)諧特征顯示為非線性，從響應于環(huán)境條件(比如溫度)的波動糾正輸出頻率的角度來看，這是不合需要的。但是，與圖2和圖 3相關的顫振控制方法的優(yōu)勢在于，與顫振的頻率低于振蕩器頻率的技術相比，當脈寬保持恒定時，偏移大幅降低，與振蕩器以遠遠高于所期望的輸出頻率的頻率工作的技術相比，功率消耗降低。本發(fā)明人已經(jīng)意識到，控制信號的每次轉(zhuǎn)換均給振蕩器帶來切換噪聲，這使得波形的瞬時相位發(fā)生變化，即輸出頻率和周期發(fā)生變化。如果在每個振蕩器周期內(nèi)的相同點產(chǎn)生顫振脈沖，那么其效果為在振蕩器周期內(nèi)變化一致，即沒有顫振導致的偏移。然而，如果控制信號的寬度或數(shù)量變化，那么會導致振蕩器周期的不穩(wěn)定變化，本發(fā)明人已經(jīng)意識到這會引起如圖3所示的非線性頻率調(diào)諧特征。而且，本發(fā)明人已經(jīng)意識到，當連接或者斷開連接時，輸出頻率取決于顫振-部分和振蕩器波形的相位。打開和關閉切換裝置16會產(chǎn)生一些電氣噪聲，除了電容變化所產(chǎn)生的相位變化，該噪聲會造成振蕩器相位變化。而且， 所產(chǎn)生的相位變化的量取決于電氣噪聲產(chǎn)生時輸出波形的變化率。其效果為，在波形變化率低的區(qū)域附近(即正弦波形峰值附近)進行切換所產(chǎn)生的電氣噪聲對振蕩器相位具有極小的影響，而在波形變化率高的區(qū)域附近(即正弦波形中間點附近)進行切換產(chǎn)生的噪聲會導致振蕩器相位發(fā)生較大的變化。AHajimiri和T H Lee在IEEE. Solid-Mate Circuits, 33(2) 1998179-194以及33 (6) 1998擬8給出了該現(xiàn)象的理論解釋。為避免疑義，術語“波形峰值”包括波形周期內(nèi)的最大(上限)峰值和最小(下限)峰值。在本發(fā)明的語境下，顫振-部分的變化改變了進行切換的時間，由此改變了對振蕩器相位的影響，為顫振-部分和輸出頻率之間的關系引入了非線性，這就降低了調(diào)諧度，并且如果為了糾正操作環(huán)境內(nèi)的波動所造成的輸出頻率的變化而通過內(nèi)插法或外插法產(chǎn)生控制代碼，那么就會引起誤差。圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的控制方法的示例，其明顯改善了頻率調(diào)諧特征。圖4中可看出，在輸出波形的每個周期內(nèi)使用四個均勻間隔開的顫振控制信號脈沖，以控制切換裝置16。換言之，脈寬調(diào)制顫振-脈沖在整個振蕩器周期內(nèi)為4 1時間復用。在該示例中，每個周期內(nèi)接通時間是固定的，但是斷開時間隨著脈寬和顫振-部分而變化。時間復用意味著增大顫振-部分導致與斷開相關的兩個下降脈沖邊緣朝著振蕩器波形的變化率的峰值移動，另外兩個下降的邊緣朝著波形變化率的最小值移動。朝著振蕩器波形變化率的峰值移動增加了輸出頻率對相關切換噪聲的敏感度，而邊緣朝著振蕩器波形變化率的最小值(即波形中間點)移動減小了振蕩器相位變化對相關切換噪聲的敏感度。該組合效應為大大減少了與斷開時間相關的切換噪聲導致的相位變化。圖5中顯示了相關的頻率調(diào)諧特征，從該圖中可以看出，獲得的響應特征曲線是高線性的，因而是非常有利的。要注意的是，由于接通和斷開事件引發(fā)的切換噪聲的組合效應穩(wěn)定，所以獲得了圖5所示的線性響應特征。因此，顫振脈沖必須一直存在，所以顫振-部分不能降低到零，除非精確地消除了接通和斷開切換噪聲。如果使用4比特脈寬調(diào)制方案來控制顫振-部分，那么顫振-部分將以1/16的增量變化，但是為了獲得線性響應，不應使用0/16階躍。以1/8 階躍將顫振-部分的范圍限制在1/16到15/16，可達到該目的，這有效地將脈寬調(diào)制分辨率減少到3比特，以便提高頻率調(diào)諧特征的線性度。通過改變顫振脈沖的接通時機而非斷開時機，也可獲得線性響應?；蛘撸蓪⒔油ê蛿嚅_時機都改變，其情形為，在脈寬和顫振-部分變化時，將接通時機向相反方向改變成斷開時機。如圖1所示的裝置可適合于執(zhí)行圖2到圖5中所描述的方法。通常，切換裝置用于將單個電容切換成與振蕩器連接或斷開。然而，也可設想其他可能更復雜的裝置，在這些裝置中，通過切換裝置改變振蕩器的頻率。在MOS(金屬氧化物半導體)集成電路中，晶體管通常用作切換裝置的有源元件。技術人員經(jīng)常使用其他裝置，這些裝置使用一個或多個開關。使用脈寬調(diào)制來產(chǎn)生控制脈沖是非常方便的，這些控制脈沖控制切換裝置進行切換。 然而，也可使用具有相同優(yōu)點的其他控制方法，比如使用具有高過采樣率的Σ -Δ調(diào)制方案。該示例使用了具有正弦輸出波形的振蕩器。要理解的是，這并非必然要求，可使用本發(fā)明產(chǎn)生具有相似優(yōu)點的其他輸出波形。
權利要求
1.一種產(chǎn)生輸出信號的方法，包括下列步驟提供電子振蕩器，該電子振蕩器具有切換裝置以及用于控制該切換裝置的控制裝置， 該切換裝置允許該振蕩器在至少第一配置和第二配置之間切換，該第一配置具有相關第一振蕩器頻率和周期，該第二配置具有相關第二振蕩器頻率和周期；在至少所述第一配置和所述第二配置之間顫振所述振蕩器，以產(chǎn)生輸出信號，該輸出信號具有中間頻率和周期，其中，通過在輸出信號頻率的連續(xù)周期上的每個輸出信號周期的預定子集進行從所述第一配置到所述第二配置的切換而實現(xiàn)顫振。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中在每個輸出信號周期的預定子集進行的從所述第一配置到所述第二配置的所述切換受脈沖作用，因此在輸出信號頻率的連續(xù)周期上的每個輸出信號周期產(chǎn)生多個脈沖，其中所述振蕩器在每個脈沖期間處于所述第二配置內(nèi)。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中在每個輸出信號周期產(chǎn)生偶數(shù)個脈沖。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的方法，其中在每個輸出信號周期產(chǎn)生至少四個脈沖。
5.根據(jù)權利要求2到4中任一項所述的方法，其中在每個輸出信號周期內(nèi)基本上均勻地間隔開所述多個脈沖。
6.根據(jù)權利要求2到5中任一項所述的方法，其中及時地基本上均勻地間隔開所述多個脈沖。
7.根據(jù)權利要求2到6中任一項所述的方法，其中所述顫振可變，以改變或糾正輸出信號的頻率；該輸出信號的頻率具有相關的輸出信號波形；每個脈沖具有相關的脈沖特征， 該特征包括輸出信號頻率周期內(nèi)的接通時間以及輸出信號頻率周期內(nèi)的斷開時間，其中在該接通時間，所述振蕩器從所述第一配置切換到所述第二配置，在該斷開時間，所述振蕩器從所述第二配置切換到所述第一配置；其中通過在輸出信號頻率的每個周期內(nèi)改變至少一些脈沖的脈沖特征來改變顫振，以改變或糾正所述輸出頻率，使得至少一個脈沖的接通時間和/或斷開時間朝輸出信號波形的變化率的峰值移動，至少另一個脈沖的接通時間和/或斷開時間朝輸出信號波形的變化率的最小值移動，從而改善輸出頻率相對于顫振變化的線性度。
8.根據(jù)前述任一項權利要求所述的產(chǎn)生具有輸出頻率的輸出信號的方法，其中使用脈寬調(diào)制信號進行切換，以控制所述切換裝置。
9.根據(jù)權利要求1到7中任一項所述的產(chǎn)生具有輸出頻率的輸出信號的方法，其中使用Δ- Σ調(diào)制信號進行切換，以控制所述切換裝置。
10.一種產(chǎn)生輸出信號的電子振蕩器，包括切換裝置，其允許所述振蕩器在至少第一配置和第二配置之間切換，該第一配置具有相關第一振蕩器頻率和周期，該第二配置具有相關第二振蕩器頻率和周期；以及控制裝置，其用于控制所述切換裝置，以便所述振蕩器在至少所述第一配置和所述第二配置之間顫振以產(chǎn)生具有中間頻率和周期的輸出信號，其中通過在輸出信號頻率的連續(xù)周期上的每個輸出信號周期的預定子集進行從所述第一配置到所述第二配置的切換而實現(xiàn)顫振。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種產(chǎn)生輸出信號的方法，包括下列步驟提供電子振蕩器，該電子振蕩器具有切換裝置以及用于控制切換裝置的控制裝置，該切換裝置允許該振蕩器在至少具有相關第一振蕩器頻率和周期的第一配置和具有相關第二振蕩器頻率和周期的第二配置之間切換；在至少第一配置和第二配置之間顫振該振蕩器，以產(chǎn)生輸出信號，該輸出信號具有中間頻率和周期，其中通過在輸出信號頻率的連續(xù)周期上的每個輸出信號周期的預定子集進行從第一配置到第二配置的切換而實現(xiàn)顫振。
文檔編號H03B5/12GK102474219SQ201080029799
公開日2012年5月23日 申請日期2010年6月28日 優(yōu)先權日2009年7月3日
發(fā)明者斯蒂芬·約翰·哈羅德 申請人:億歐塞米有限公司