晶体振荡器与其相位噪声抑制方法与流程

1.本发明涉及晶体振荡器，特别是涉及一种晶体振荡器及其相位噪声抑制的方法。


背景技术：

2.对于诸如锁相回路(phase-locked loop,pll)的电子系统，参考时钟是必要的。更具体地，参考时钟的相位噪声严重影响电子系统的整体性能，因此对于相位噪声相关的性能要求很高。一般而言，参考时钟可由晶体振荡器产生，例如皮尔斯振荡器(pierce oscillator)或科尔皮兹振荡器(colpitts oscillator)。相关技术中提出的方法和相关架构大大地增加了额外的电路以提高晶体振荡器的整体性能(例如降低其相位噪声)。因此，需要一种新颖的架构和相关方法，以在不引入任何副作用的情况下或以较不产生副作用的方式来降低晶体振荡器的相位噪声(更具体地，降低参考时钟的相位噪声)。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的一个目的是提供一种晶体振荡器及其相位噪声抑制方法，以改善电子系统的相位噪声相关性能，尤其是降低电子系统中的晶体振荡器中参考时钟的相位噪声输出。
4.本发明的至少一个实施例提供了一种晶体振荡器。晶体振荡器可以包括晶体振荡器核心电路、偏置电路、脉冲波缓冲器和相位噪声抑制电路。晶体振荡器核心电路用以产生正弦波。偏置电路耦合于晶体振荡器核心电路的输出端，用以提供正弦波的偏置电压。脉冲波缓冲器耦合于晶体振荡器核心电路的输出端，用以根据正弦波产生脉冲波。相位噪声抑制电路耦合于晶体振荡器核心电路的输出端，用以产生一包含至少一重置脉冲的重置信号，用以提供交流(ac)接地路径给偏置电压噪声以重置偏置电压(例如重置偏置电压上的电阻噪声)。
5.更具体地，在不将至少一个重置脉冲校准到正弦波的零交叉点的情况下，生成重置信号。
6.本发明的至少一个实施例提供了一种晶体振荡器的相位噪声抑制方法。该相位噪声抑制方法可以包括：通过晶体振荡器的晶体振荡核心电路产生正弦波；通过偏置电路提供正弦波的偏置电压；脉冲波缓冲器根据正弦波产生脉冲波；并且为偏置电压上的噪声提供交流接地路径以重置偏置电压(例如重置偏置电压上的电阻噪声)。响应于重置信号提供ac接地路径，该重置信号是在没有将至少一个重置脉冲的位置校准到正弦波的零交叉点的情况下产生的。
7.本发明的晶体振荡器和相位噪声抑制方法可以在不校准执行相位噪声重置操作的时序之情况下降低相位噪声，并且实现了相位噪声抑制的总体成本与相关技术相比大幅地降低。因此，本发明可以在不引入任何副作用的情况下或以较不产生副作用的方式来降低晶体振荡器的相位噪声(更具体地，降低参考时钟的相位噪声，例如从晶体振荡器输出的脉冲波)。
8.在阅读了在各个附图和附图中示出的优选实施例的以下详细描述之后，本发明的这些和其他目的对于本领域普通技术人员来说无疑将变得显而易见。
附图说明
9.在附图的图中，通过示例而非限制的方式示出了本发明，在附图中，相似的附图标记指示相似的元件。当结合某实施例描述特定的特征、结构或特性时，应当认为，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性属于本领域技术人员的知识范围，不论是否没有明确指示。
10.图1是根据本发明实施例的晶体振荡器的示意图。
11.图2是示意如何将偏置电阻的噪声引入方波缓冲器的方波输出的示意图。
12.图3是根据本发明实施例的晶体振荡器的示意图。
13.图4是根据本发明的实施例中借助噪声重置脉冲的相位噪声抑制的示意图。
14.图5是根据本发明实施例的晶体振荡器。
15.图6是示意根据本发明一实施例图5所示的脉冲产生器产生的重置脉冲。
16.图7是示意根据本发明另一实施例图5所示的脉冲产生器产生的重置脉冲。
17.图8是根据本发明实施例的晶体振荡器的图。
18.图9是示意根据本发明一实施例图8所示的脉冲产生器产生的重置脉冲。
19.图10是根据本发明实施例的晶体振荡器的相位噪声抑制方法的工作流程。
具体实施方式
20.某些术语使用于以下描述和权利要求中，它们指的是特定组件。本领域技术人员将理解电子设备制造商可能会用不同的名称来指代一个组件。本文中不打算区分名称不同但功能相同的组件。在以下描述和权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放式方式使用，因此应解释为“包括但不限于
…”
。此外，术语“耦合”旨在表示间接或直接电连接。因此，如果一个设备耦合到另一设备，则该连接可以是通过直接电连接，或通过经由其他设备和连接的间接电连接。
21.图1是本发明实施例的晶体振荡器10的示意图。晶体振荡器10可以包括晶体振荡核心电路120、例如直流(dc)偏置电路140的偏置电路、偏置电阻rbias和例如方波缓冲器160(为求简洁标记为“nbuf”)的脉冲波缓冲器。晶体振荡核心电路120可以是如图1所示的科尔皮兹振荡器(colpitts oscillator)，其包括晶体槽xtal(也可能被称为“晶体振荡器(xo)”)、电容器c1和c2、晶体管和电流源，但本发明不限于此。例如，在一些实施例中，晶体振荡核心电路120可以用皮尔斯振荡器(pierce oscillator)代替。在本实施例中，直流偏置电路140通过偏置电阻rbias耦合晶体振荡器120的输出端，方波缓冲器160耦合晶体振荡器120的输出端。例如，晶体振荡器的输出端和方波缓冲器160的输入端耦合到晶体振荡器10的一个节点，直流偏置电路140通过偏置电阻rbias耦合到所述节点，其中所述节点的输入阻抗可以用zin表示，而zin大致由偏置电阻rbias决定。
22.在本实施例中，晶体振荡核心电路120被设计为具有高的质量因子(例如大于或等于100000)，并被配置产生正弦波。如图1所示，直流偏置电路140可以包括一个或多个晶体管，用以提供所述正弦波的偏置电压，例如直流偏置电压vb。举例来说，所述正弦波被承载
在所述直流偏置电压vb的电平上(更具体地来说，所述正弦波可以基于直流偏置电压vb的电平有规律地上下变化)。此外，诸如方波缓冲器160的脉冲波缓冲器可以根据所述正弦波在方波缓冲器160的输出端out上产生诸如方波的脉冲波。举例而言，方波缓冲器160可包含反相器或反相器链，其中当正弦波的电平大于方波缓冲器160的阈值(例如输入电压电平阈值)时，所述方波可具有第一状态(例如第一逻辑值，例如“1”)，并且当正弦波的电平小于方波缓冲器160的阈值时，方波可以具有第二状态(例如第二逻辑值，例如“0”)。在一些实施例中，脉冲波缓冲器产生的脉冲波可以是工作周期为50％的矩形波，例如方波。在一些实施例中，由脉冲波缓冲器产生的脉冲波可以是工作周期不是50％的矩形波。以下说明以方波为例，仅作说明之用，并不构成对本发明的限制。
23.在一个实施例中，偏置电阻rbias可以贡献所述方波中大部分相位噪声。特别地，偏置电阻rbias贡献的噪声与偏置电阻rbias的电阻值呈正相关。举例而言，偏置电阻rbias的阻值越高，产生的噪声就越大。相对地，正弦波的信号功率与偏置电阻rbias的阻值呈正相关。举例来说，偏置电阻rbias的阻值越高，正弦波的信号功率就越大(即偏置电阻rbias的阻值越低，正弦波损耗就越大)。因此，在损耗和噪声之间存在交换折衷，而本发明旨在打破这种交换折衷。
24.具体而言，因为晶体振荡核心电路120的质量因子足够高，来自偏置电阻rbias的热噪声不会对晶体振荡核心电路120的输出端上的正弦波信噪比(signal-to-noise ratio,snr)产生很大影响。例如，晶体振荡核心电路120可以滤除由偏置电阻rbias在相对于所述正弦波振荡频率的特定频率偏移(例如100khz)处所引起的大部分噪声。根据以上描述，即使偏置电阻rbias会贡献噪声，所述正弦波的相位噪声可以很小，例如-185dbc/hz。然而，方波缓冲器输出端out上的相位噪声可能很高(例如-165dbc/hz)。
25.为了更好地理解所述偏置电阻rbias的噪声是如何被引入方波缓冲器160的输出端out上的方波中，请参考图2。如果偏置电阻rbias不贡献噪声，则所述正弦波可能会被恒定电平vb所承载，如标记为“xo out1”的波形所示(例如，40mhz正弦波能基于恒定电平vb有规律地向上与向下变化)，该方波的脉冲宽度可能是恒定的，如标记为“nbuf out1”的波形所示。相比之下，如果偏置电阻rbias贡献噪声(例如，可以建模为100khz偏置噪声源)，则所述正弦波可被承载在变化的电平vb δv上，如标记为“xo out2”的波形所示(例如40mhz正弦波可能会根据100khz偏置噪声的时变电平上下变化)。归因于所述晶体振荡核心电路120的高质量因子所带来的特性，当考虑偏置电阻rbias的噪声时，所述正弦波的相位噪声并没有显著增加。对于所述方波，状态转换的时序(例如上升缘和下降缘)可能会受到方波缓冲器输入端电压电平变化的显著影响，并且方波的脉冲宽度可能随时间变化，如在标记为“nbuf out2”的波形上被圈出的部分(例如时变相移δt)，这导致方波缓冲器160的输出端out上的方波的相位噪声。如图2中最底部所示，细线描绘的波形代表未考虑偏置电阻的噪声时方波缓冲器160的输出(其具有恒定脉冲宽度)，而粗线描绘的波形代表考虑到偏置电阻的噪声时方波缓冲器160的输出(其具有时变脉冲宽度)，这两个波形之间的差异可以用时变相移δt来说明，这可以视为上述相位噪声。
26.图3是图示根据本发明实施例的晶体振荡器30的示意图。除了晶体振荡核心电路120、直流偏置电路140、偏置电阻rbias和方波缓冲器160之外，晶体振荡器30还可以包括相位噪声抑制电路180。相位噪声抑制电路180耦合至晶体振荡核心电路120的输出端，可用于
产生包括至少一个重置脉冲(例如一个或多个脉冲，可合并称为重置脉冲)的重置信号，用以重置所述正弦波(例如，通过为偏置电压上的电阻噪声提供交流(ac)接地路径)的所述偏置电压(例如，重置偏置电压上的电阻噪声，如由偏置电阻rbias贡献的噪声)。更具体地，在不将至少一个所述的重置脉冲校准到正弦波的零交叉点的情况下生成重置信号，其中正弦波的零交叉点可以代表正弦波变化跨越直流偏置电压vb电平的时间点。通过模拟可以看出，所述重置脉冲的位置(例如重置脉冲相对于正弦波相位的时序)不会对相位噪声抑制的改善产生很大影响(即重置脉冲的位置并不重要，且重置脉冲的不同位置可以获得类似的改善)，因此重置脉冲可以在正弦波输出的零交叉点或峰值处，不需要关于重置脉冲时序的复杂校准电路。
27.如图3所示，相位噪声抑制电路180可以包括耦合到晶体振荡核心电路120的输出端的重置开关180sw，并且可以由所述的重置信号控制。此外，相位噪声抑制电路180还可以包括脉冲产生器180g，用于产生重置信号。在本实施例中，重置开关可以响应重置脉冲而导通，为偏置电压上的电阻噪声提供交流接地通路，以去除偏置电压上的噪声，从而重置所述正弦波的偏置电压至重置电平。例如，所述重置开关180sw可以耦合在偏置电阻rbias的两端，当重置开关导通时，偏置电阻rbias产生的噪声可以被重置，并且所述正弦波的变化的偏置电压电平被拉回到直流偏置电压vb的原始电压电平，但本发明不以此为限。
28.为了更好地理解相位噪声抑制电路180如何解决偏置电阻rbias引起的相位噪声问题，请参考图4。如图4上半部所示。标记为“xo out2”和“nbuf out2”的波形代表在没有使用建议的噪声重置脉冲(例如，相位噪声抑制电路180被禁用且重置开关180sw始终关闭)的情况下晶体振荡核心电路120的输出端上的正弦波和方波缓冲器160的输出端上的方波；如图4下半部所示，标记为“xo out3”和“nbuf out3”的波形代表在使用建议的噪声重置脉冲(例如启用相位噪声抑制电路180且脉冲产生器180g开始输出重置脉冲以周期性地开启重置开关180sw)的情况下，晶体振荡核心电路120的输出端上的正弦波和在方波缓冲器160的输出端上的方波。如图4所示，当相位噪声抑制电路180被禁用时，所述正弦波可基于时变电平vb δv上下变化，因此所述方波的脉冲宽度随时间变化，从而导致相位噪声。相比较而言，当相位噪声抑制电路180被启用且脉冲产生器开始输出重置脉冲至重置开关180sw(例如周期性地输出重置脉冲至重置开关180sw)时，所述正弦波的直流偏置电压电平因此响应于重置脉冲而重置，且方波的脉冲宽度可以基本恒定，或者正弦波的偏置电平的变化量被降低(例如可以减小δv)。因此，方波的脉冲宽度可以是恒定的或基本恒定的，从而降低了相位噪声。
29.需要说明的是，偏置电阻rbias的阻值和晶体振荡核心电路120的输出端的输入电容都可以设计得相当大，大的阻容(resistance-capacitance,rc)时间常数会使偏置电阻rbias的噪声没有足够的时间来大幅度改变正弦波的电平。举例来说，在正弦波的偏置电压电平被重置并且重置开关180sw再次关断后，因为所述时间常数足够大，偏置电阻rbias的噪声不会使正弦波的偏置电压电平立即发生很大变化，而且当噪声累积使正弦波的偏置电压电平发生轻微变化时，下一个重置脉冲可以再次重置偏置电压电平，如图4所示。有鉴于此，重置信号的频率最好足够快，以更好地抑制偏置电阻rbias的噪声，从而保持所述正弦波的偏置电压电平。通过仿真，假设所述正弦波的频率为40mhz，当重置信号的频率为40mhz时，可以观察到噪声相关性能的显著改善；当重置信号的频率为400mhz时，可以进一步提高
噪声相关性能。因此，为了获得更好的噪声相关性能，重置信号的较高频率是优选的，但本发明不限于此。在一些实施例中，相位噪声抑制电路180还可以包括倍频器，用以产生具有从方波缓冲器160输出的方波频率的n倍频率的信号，并相应地使重置信号的频率是方波频率的n倍(例如在正弦波或方波的一个周期内可能有n个重置脉冲)，其中n可以是大于或等于2的正整数。在一些实施例中，重置信号的频率可以低于或等于正弦波的频率。在一些实施例中，重置脉冲可以周期性地产生，并且重置脉冲的频率可以是任何合适的正值。在一些实施例中，重置脉冲不是周期性地产生，例如，脉冲产生器180g可以随机地产生重置脉冲或者重置脉冲的发生可以由晶体振荡器30内的另一个控制器控制。
30.除了偏置电阻rbias产生的噪声(简称rbias噪声)外，还有一些因素会影响正弦波的snr，例如重置脉冲的开启周期t
on
(例如重置脉冲的脉冲宽度，表示重置开关180sw被导通的时间长度)、重置开关180sw的导通电阻r
on
(例如在重置开关180sw导通的情况下重置开关180sw的阻值)，以及对应于导通电阻r
on
的噪声(简称r
on
噪声)。通过计算，snr可以表示为：
[0031][0032]
符号f代表频率变量。符号r
avg
代表晶体振荡器输出端上的平均电阻，可以进一步用导通电阻r
on
、偏置电阻rbias的阻值r
bias
和参数α表示，其中α＝t
on
/t
xo
，t
xo
代表晶体振荡核心电路120输出的正弦波的周期。n
rbias
(f)和n
ron
(f)分别代表频率f对应的rbias噪声和r
on
噪声。假设rbias噪声n
rbias
(f)可以被重置(例如，在rbias噪声n
rbias
(f)能够重置为相同数量级(same order)的情况下，考虑r
on
和t
on
的不同组合)，上面所示的等式可以进一步安排如下：
[0033][0034]
符号k代表玻尔兹曼常数。符号t代表绝对温度。符号c
in
代表晶体振荡核心电路120的输出端上的输入电容。符号f
xo
代表正弦波的频率。如上面所示的等式所示，r
on
噪声n
ron
(f)可以包括采样噪声(sample noise)和保持噪声(hold noise)。假设频率f远小于正弦波的频率f
xo
(例如，当f/f
xo
非常接近于零时)，上面显示的方程可以进一步简化如下：
[0035][0036]
由上式可知，在将rbias噪声重置为相同数量级数的情况下，为了获得更好的snr，最好设计较小的α。例如，在rbias噪声被重置到相同数量级的情况下，当重置脉冲的脉宽减小时，正弦波的信噪比可能会增加。因此，利用非常短的重置脉冲(例如具有极窄脉冲宽度的重置脉冲)来重置rbias噪声是晶体振荡器30的噪声相关性能的优化设计。实际上，小α可
以通过逻辑异或(exclusive-or,xor)电路和非常短的延迟线来实现，因此受益于所述延迟线的的小面积、低电流消耗和低噪声。上述极短延迟线可以包括一个反相器或一串反相器，但本发明不限于此。需要注意的是，上述极短延迟线提供的延迟不限于特定值，可以是能够重置正弦波偏置电压电平而不显著降低信噪比的任何延迟，例如100皮秒(ps)、80ps等。
[0037]
图5是根据本发明实施例的晶体振荡器50的示意图，其中晶体振荡器50可以是图3所示晶体振荡器30的修改版本或示例。如图5所述，除了重置开关180sw和脉冲产生器180g之外，相位噪声抑制电路180还可以包括耦合到晶体振荡器核心电路120的输出端的交流耦合缓冲器180b，用于根据所述正弦波产生修改的方波。本实施例中，脉冲产生器180g用于根据所述修改的方波产生重置信号，重置脉冲在重置信号上的位置由交流耦合缓冲器180b的控制端上的控制电压vb1所设定。具体地，所述交流耦合缓冲器180b可以包括电容c3、电阻rb1和缓冲电路181，其中电容器c3耦合在晶体振荡核心电路120的输出端和缓冲电路181的输入端之间；电阻rb1耦合于交流耦合缓冲器180b的控制端与电容c3之间。在本实施例中，电容c3用于接收正弦波并产生修正的正弦波。电阻rb1用于控制修正后的正弦波的偏置电压为控制电压vb1，例如使得修正后的正弦波根据控制电压vb1的电压电平上下变化。缓冲电路181用于根据修正后的正弦波产生修正方波。在本实施例中，脉冲产生器180g可以包括延迟单元182(其可以是前述极短延迟线)和xor逻辑电路183。延迟单元182用以延迟修正后的方波(例如延迟80ps)产生修正延迟方波，xor逻辑电路183用于对修正方波和修正延迟方波进行异或运算以产生重置信号。例如，当修正正弦波的偏置电压响应于控制电压vb1而被修正时，修正方波的工作周期可以相应地被修正，从而改变重置脉冲的位置。
[0038]
假设直流偏置电压vb(例如晶体振荡核心电路120输出端上正弦波的直流偏置电压)设置为0.8v，正弦波在2.1v和-0.5之间变化。当控制电压vb1被设置为低于直流偏置电压vb的电压电平时(例如0v)，修正的正弦波会根据0v的电压电平上下变化，如图6所示，重置脉冲的位置可能在正弦波低于直流偏置电压vb的时段内。当控制电压vb1设置为等于直流偏置电压vb时，如0.8v，修正后的正弦波可能会根据0.8v的电压电平上下变化，如图7所示，重置脉冲的位置可能是非常接近(例如稍晚于)正弦波的零交叉点。以此类推，当控制电压vb1设置为大于直流偏置电压vb的电压电平时(如1.4v)，修正后的正弦波可根据1.4v的电压电平上下变化，重置脉冲的位置可以在正弦波高于直流偏置电压vb的电平的时段内。
[0039]
需要说明的是，正弦波偏置电压的重置电平不限于直流偏置电路140提供的直流偏置电压vb。任何恒定电压电平都可以用于重置正弦波的偏置电压。在一些实施例中，缓冲电路181可以由一个反相器来实现。在一些实施例中，缓冲电路181可以由反相器串来实现。此外，交流耦合缓冲器的大小可以是方波缓冲器160的1/10，但本发明不限于此。
[0040]
图8为本发明实施例的晶体振荡器80的示意图，其中晶体振荡器80可以是图3所示晶体振荡器30的修改版本或示例。在本实施例中，脉冲产生器180g用于根据输出端out上的方波产生重置信号。更具体地，延迟单元182用以对方波进行延迟以产生延迟方波，而异或逻辑电路183用以对方波和延迟方波进行异或运算以产生重置信号。如图8所示，用于对正弦波的偏置电压进行重置的电压电平可由直流偏压电路150提供，但本发明不限于此。在一些实施例中，直流偏置电路140和150可以提供相同的电压电平。在一些实施例中，直流偏置电路140和150可以提供不同的电压电平。基于此架构，如图9所示，脉冲产生器180g所产生的重置脉冲可接近正弦波的过零点，更具体地说，可稍晚于正弦波的零交叉点。
[0041]
图10为根据本发明实施例的晶体振荡器的相位噪声抑制方法的工作流程，其中晶体振荡器可以分别为图3、图5与图8所示的晶体振荡器30、50和80中的任一个。需要说明的是图10仅用于说明目的，并不意味着对本发明的限制。在一些实施例中，可以在图10所示的工作流程中增加、删除或修改一个或多个步骤。另外，如果可以得到相同的结果，则不必按照图10所示的确切顺序执行。
[0042]
在步骤1010中，晶体振荡器可以通过晶体振荡器中晶体振荡器核心电路(例如晶体振荡器核心电路120)产生正弦波。
[0043]
在步骤1020中，通过偏置电路，晶体振荡器可以提供所述正弦波的偏置电压。
[0044]
在步骤1030中，通过方波缓冲器，晶体振荡器可以根据所述正弦波产生方波。
[0045]
在步骤1040中，通过相位噪声抑制电路，晶体振荡器可以产生包括至少一个重置脉冲的重置信号，用于重置偏置电压(例如，重置偏置电压上的电阻噪声，如rbias噪声)，其中重置信号可以是在无需将至少一个重置脉冲的位置校准到正弦波的零交叉点的情况下所生成的。
[0046]
综上所述，本发明提供了晶体振荡器及其相位噪声抑制方法的多个实施例，它们利用非常短的重置脉冲来重置偏置电阻引起的噪声，更具体地说，来重置受偏置电阻引起的噪声所干扰的偏置电压电平，从而降低方波缓冲器输出的方波的相位噪声。此外，由于将相位噪声引入方波的原因与正弦波的相位没有显著相关性(例如，出现在正弦波过零交叉点的噪声与出现在正弦波其他位置/相位处的噪声对方波的相位噪声影响相同)，重置脉冲的时序或位置并不重要，并且可以省略关于重置脉冲的时序或位置的校准。因此，不需要复杂的校准和长延迟线，如此可以大大降低设计复杂度和整体功耗。
[0047]
本领域技术人员将容易地观察到，在保留本发明的教导的同时，可以对装置和方法进行多种修改和改变。因此，上述公开应被解释为仅受所附权利要求的范围和界限的限制。