CN106464209A - 用于超低功率的具有反馈受控工作周期的低电压晶体管振荡器(xtal)驱动器 - Google Patents
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Abstract
一种用于超低功率的具有反馈受控工作周期的低电压晶体振荡器(XTAL)将用于XTAL的放大器偏置于亚阈值工况中。反馈控制计划可以用来偏置用于偏置于亚阈值工况的XTAL的放大器。XTAL振荡器的放大器能够周期地工作以节省功率，例如XTAL驱动器能够在XTAL振荡的幅值达到范围中的最大值时关闭，以节省功率；而在XTAL振荡的幅值开始衰减时回到接通状态，以在它停止之前维持振荡。另外地或替代地，使XTAL振荡器的放大器周期地工作的反馈控制方案可用来监测振荡的幅值。
Description
要求优先权
本申请根据35U.S.C.§1 19要求2014年1月10日提交的，美国临时申请序列号61/926014，名称为“A Low Voltage Crystal Oscillator(XTAL)Driver With FeedbackControlled Duty Cycling For Ultra Low Power(用于超低功率的具有反馈受控工作周期的低电压晶体振荡器(XTAL)驱动器)”的优先权，是该申请的非临时申请，并且其全部内容通过引用的方式明确结合于此。
技术领域
一些实施例一般涉及低功率电路设计，尤其涉及用于超低功率的具有反馈受控工作周期的低电压XTAL驱动器。
背景技术
对于给定量的可用能源，从电池和/或从从环境中获取的功率操作的便携式***通常需要消耗少量的能量来延长***寿命。由于对更小尺寸(较小的电池体积，因此较少的可用能量)、更长寿命(使得能量持续更长)、和/或更多功能(使用相同量的能量做更多事)的需求，在广泛的应用中针对便携式***的能量预算越来越重要。
很多便携式电子装置，例如无线传感器节点通常还将它们时间的大部分花费在休眠模式上，等待外部或内部刺激来唤醒它们。在这些休眠(或待机)模式期间，很多装置使用稳定的时钟源来保持时间准确以减小重新同步到其它无线电设备的成本，还出于其它原因。在激活模式期间，精确的定时参考被用于偏置精确数据取样、RF射频调制、和同步计算等等。
提供精确时钟源的一种已知的方法包括使用晶体振荡器(XTAL)。基于XTAL的振荡器能够消耗可用***功率的可观部分，尤其是在待机模式期间。例如，具有200kHz XTAL的能量获取身体传感器网络(BSN)SoC(芯片上的***)在测量ECG，提取心脏速率，和每隔几秒发送RF包时消耗19μW。F.Zhang、Y.Zhang、J.Sliver、Y.Shakhsheer、M.Nagaraju、A.Klinefelter、J.Pandey、J.Boley、E.Carlson、A.Shrivastava、B.Otis、和B.H.Calhoun在ISSCC Dig.Tech.Papers，pp298-299，2012上的“A Battery-less 9μW MICS/ISM-BandEnergy Harvesting Body Area Sensor Node SoC(电池-小于19μW MICS/ISM-带能量获取身体区域传感器节点SoC)”，其通过引用的方式被结合。在这个示例中，总功率消耗中超过2μW被200kHz XTAL消耗(Id)。
因此，需要一种在与小型超低功率电子器件相配的低得多的功率水平下从XTAL振荡器生成精确的时钟信号的方法。
发明内容
描述了用于在非常低的电压下，例如甚至在金属-氧化物-半导体(MOS)晶体管的亚阈值操工况下操作晶体振荡器(XTAL)的***、方法和装置。在一些实施例中，校准计划对XTAL驱动器进行优化以在低电压下操作。为了进一步实现节省功率，XTAL驱动器可包括反馈受控模式，反馈受控模式在维持稳定的输出时钟的同时使XTAL周期地工作。文中公开的一些实施例包括具有XTAL驱动器的设备，XTAL驱动器具有放大器，放大器带有MOS晶体管。XTAL驱动器被配置成在MOS晶体管在亚阈值工况下操作时产生操作信号以操作XTAL。设备还包括反馈控制单元，该反馈控制单元操作地耦接至XTAL驱动器。反馈控制单元被配置成从XTAL驱动器接收操作信号，反馈控制单元被配置成基于操作信号生成调节信号。XTAL驱动器还被配置成响应于调节信号调节XTAL驱动器的电路水平特性，从而XTAL驱动器的放大器的负电阻被校准成一值，以使MOS晶体管在亚阈值工况下操作。
文中描述的一些实施例包括具有XTAL的设备，XTAL被配置成在MOS晶体管的亚阈值工况下操作以生成振荡。设备还包括通信耦接至XTAL的XTAL驱动器，XTAL驱动器被配置成生成工作周期信号以对振荡的包络线进行调制。设备还包括通信耦接至XTAL驱动器和XTAL的反馈控制单元，反馈控制单元被配置成使用来自振荡的反馈以重复地在振荡的包络线的幅值衰减至最小值时接通XTAL驱动器，而在振荡的包络线的幅值达到最大值时关闭XTAL驱动器。
文中公开的一些实施例包括用于使XTAL周期地工作的方法。方法执行以下：获得XTAL振荡包络线的上升时间和下降时间的测量值；将开始信号发送到XTAL以使XTAL振荡开始，该XTAL振荡被配置成到达最大幅值；以及重复地执行：发送第一信号以使XTAL驱动器关闭一与XTAL振荡包络线的下降时间成比例的第一时间，以及发送第二信号以接通XTAL驱动器一与XTAL振荡包络线的上升时间成比例的第二时间。第一时间和第二时间与XTAL振荡包络线的增长延迟和衰退延迟相关，从而保持XTAL振荡。
附图说明
图1是示出已知的XTAL电路的示意图及其等效电路原理图；
图2示出了根据一个实施例的反馈方案的框图，其中反馈方案使用来自在低电压下(包括在亚阈值区的低电压下)操作的XTAL驱动器的输出的信息；
图3是根据一个实施例的能够使用校准方法来改变XTAL驱动器的大小以在非常低的供给电压下操作的***的框图；
图4是根据一个实施例的能够使用校准电路的***的框图，其中校准电路改变XTAL驱动器的大小以在非常低的供给电压下操作；
图5是根据一个实施例的改变XTAL驱动器的大小以在非常低的供给电压下操作的校准电路的示例的电路图；
图6是仿真结果的示例，该仿真结果示出具有300mV的供给电压的低电压XTAL驱动器的一个实例的正常启动；
图7示出了根据一个实施例的XTAL驱动器和反馈控制方案的***框图和定时图，其中反馈控制方案使用来自(多个)振荡信号XI和/或XO的反馈来接通和关闭驱动器以节省功率，定时图示出了如果与XI的包络线的幅值相关地控制工作周期，周期工作如何在不停止振荡的情况下对XI(和XO)的包络线进行调制的定时图；
图8示出了根据一个实施例的能够通过接通和关闭XTAL驱动器来控制XTAL驱动器的工作周期的***的***框图和定时图，其中定时图示出了如果与XI的包络线的增长延迟和衰减延迟(分别为TG和TD)相关地控制工作周期，周期工作如何在不停止振荡的情况下对XI的包络线进行调制；
图9示出了根据一个实施例的用来测量XI的振荡包络线的上升延迟TG的电路的框图；
图10示出了根据一个实施例的示出了用来测量XI的振荡包络线的下降延迟TD的电路的框图；
图11示出了完整的XTAL振荡器***的示例的电路原理图；
图12示出了XO波形的仿真结果的示例，XO波形示出了在周期工作操作期间的包络线和使能信号波形；
图13示出了根据一个实施例的用于校准XTAL以在包括亚阈值区的低电压下操作的流程图；
图14示出了根据一个实施例的用于在坚持振荡的同时使XTAL的驱动器周期地工作的流程图；
图15示出了根据一个实施例的用于使XTAL周期地工作同时坚持振荡的流程图
具体实施方式
用于超低功率的具有反馈受控工作周期的低电压晶体振荡器(XTAL)驱动器将用于XTAL的放大器偏置于亚阈值工况中。替代地，反馈控制方案可用来偏置用于偏置于亚阈值工况中的XTAL放大器。
在一些实施例中，XTAL振荡器的放大器可以周期地工作以节省功率。例如，XTAL驱动器(例如，放大器105，包括金属-氧化物-半导体(MOS)晶体管)能够在XTAL振荡的幅值达到范围中的最大值时关闭以节省功率，但是在XTAL振荡的幅值开始衰减时回到接通状态。这允许XTAL振荡器在它停止之前维持振荡。另外地或替代地，使XTAL振荡器的放大器周期工作的反馈控制方案可以被用来监测振荡的幅值。
图1示出了用于已知的采用并行模式振荡的XTAL实施的架构(例如，101)和等效电路(例如，102)。在并行模式中，晶体振荡器XTAL 106作为感应器109出现并且与负载电容器CL 112一起振荡。XTAL本身的等效电路是具有并联寄生电容器CP 113的串联RLC电路。晶体振荡器的品质因数(Q)在范围5000内，这提供了精确的频率输出。反相放大器105展示出负电阻108，并且将被施加ac电流以克服图1的RLC电路中的晶体等效串联电阻(ESR)111的阻尼效应。为了振荡，电路可通过使放大器的负电阻108大于晶体的ESR 111来满足振荡的巴克豪森准则。负电阻108的值是频率的函数。晶体的ESR 111表示能量耗散器件，并且放大器105依靠供给/补充晶体中耗散的能量通过它负电阻108来补偿这种耗散。
XTAL电路的功率消耗由XTAL 106和放大器105的设计确定。晶体振荡器106中的能量耗散器件由晶体ESR 111表示。ESR 111表示热损失形式的能量耗散并且由I2R给定，其中R是晶体的ESR 111的电阻的值，并且I是流入晶体的RMS(均方根)电流。这个损失与振荡的幅值成正比。为了减小损失并且因此减小晶体振荡器106的功率消耗，通常使振荡的幅值减小。这能通过在亚阈值区中操作放大器105来完成。E.Vittoz和J.Fellarath在1977年6月的IEEE Journal of Solid State Circuits(IEEE固态电路杂志)，vol.12no.3pp 224-231上的“CMOS Analog Integrated Circuits Based on Weak Inversion Operations(基于弱反型操作的CMOS模拟集成电路”；以及W.Thommen在1999年的IEEE欧洲固态电路会议的“Animproved Low Power Crystal Oscillator(改进的低功率晶体振荡器)”；每个均通过引用的方式被结合。已知的电路技术通过使用延迟锁定回路(DLL)或通过简单地压制振动幅值来降低振动幅值。D.Yoon、D.Sylverster和D.Blaauw在2012年的IEEE国际固态电路会议的“A 5.58nW 32.768kHz DLL-Assisted XO for Real-Time Clocks in Wireless SensingApplications(无线传感应用中用于实时时钟的5.58nW 32.768kHz DLL-辅助XO”；W.Thomen在1999年的IEEE欧洲固态电路会议的“An improved Low Power CrystalOscillator(改进的低功率晶体振荡器)”；每个均通过引用的方式被结合。这些技术已经将32kHz晶体振荡器的功率消耗降低至5.58nW，使得可能将将晶体振荡器用于无线传感器，在无线传感器中希望较低功率的时钟。
与这些已知的电路技术相反，文中描述的电路技术是用于在非常低的电压下，甚至在MOS晶体管(例如放大器105的MOS晶体管)的亚阈值工况下操作晶体振荡器(XTAL)的***、方法和设备。在一些实施例中，校准方案优化XTAL驱动器(例如，放大器105)以在低电压下操作。为了进一步实现节省功率，XTAL驱动器可包括在维持稳定输出时钟的同时使XTAL106周期地工作的反馈受控模式(未在图1中示出；参见图2中的202、图3中的303、图4中的403等)。
如同下面进一步描述的，补偿放大器能够在低电压下维持振荡并且反馈受控工作周期方案能够使功率降低。
用于XTAL 106的放大器105能够在低电压下满足巴克豪森振荡准则以确保XTAL的振荡。多种反相放大器构架能够用来实施放大器。可以使用图1中示出的具有大偏置电阻器107的简单的推挽式反相器(数字反相器)；例如，它是单级的并且消耗更少的功率。W.Thommen在199年的IEEE欧洲固态电路会议的“An improved Low Power CrystalOscillator(改进的低功率晶体振荡器)”。改变驱动器的大小来在低供给电压下保持正确的负电阻是有挑战的。在较低的驱动器强度下(用于nMOS和pMOS的更小尺寸)，放大器105的负电阻108更低并且不能满足振荡准则。增加驱动器晶体管尺寸会增加负电阻，但是由于反相器中的自加载，负电阻在某一时刻会随着增加的尺寸开始再次降低。同样，反相器的尺寸的增加会增加功率消耗。
在亚阈值工况中，由于过程变化的影响(过程变化对这个工况中的晶体管电阻有指数影响)，开环地改变放大器105的大小不太可能地产生具有高产率的功能XTAL电路101。为了支持在低电压下操作，文中公开的一些实施例使用校准方法来解决这个变化。图2示出了反馈方案的框图，其中反馈方案使用来自在低电压下(包括在亚阈值工况下)操作XTAL驱动器201(XTAL 204可以或可以不被附接和振荡)的输出的信息来调节XTAL驱动器201的电路水平特性，从而它的负电阻被校准成正确的(或希望的或预定的)值。例如，反馈电路包括反馈控制单元202，反馈控制单元202从XTAL驱动器201接收驱动器输出203。反馈控制单元202能够使用驱动器输出203来确定振荡的当前状况，例如振荡的幅值，功率消耗等等。然后反馈控制单元202能够将信号发送给XTAL驱动器201以调整XTAL驱动器201以设置负电阻以实现XTAL 204的亚阈值操作(例如在205)。
图3示出了根据一个实施例的使用图2中示出的校准方案以实现XTAL的亚阈值工况的反馈***的电路实施的框图。如图3中所示，反相器301的输出302能够被发送到反馈控制单元303(例如，它可以是图2中的202的等效物)，反馈控制单元303用来设置或生成调整MOS晶体管强度的反馈控制信号以调节反相器的电阻(例如在304)。
图4示出了根据一个实施例的反馈***的替代电路实施的***框图，反馈***例如通过将反相器输出402连接至具有电阻参考值的片外电阻404来实现如图2中所示的XTAL的亚阈值操作。将反相器输出402与电压参考405相比较，并且这个结果被反馈控制单元403(例如，图2中的202的等效物)用来设置(或生成)控制信号，该控制信号调节反相器401的MOS晶体管的有效长度(例如在406)。相似的方案可以使用用于校准的片上电阻。
图5示出了图4中示出的校准方案的示例的更详细的电路原理图，用来设置放大器晶体管MP 502a和MN 502b的驱动强度。当ENP(503b)＝0并且ENN(503a)＝1时，放大器501被启用。为了将MN 502b校准至给定的驱动强度，ENN 503a和ENP 503b被设定成一。这使校准电路被启用并且通过开关MNC 504将MN 502b连接至外部电阻器RC 505。到放大器501的振荡信号XI 506(例如，图1中的103的等效物)被连接至Ref 508，Ref 508被选择为VDD/2以对平衡的反相器电压转移特性进行调整。使用反馈回路中的逐次逼近寄存器(SAR)509逻辑和比较器510来改变晶体管MN 502b的尺寸。这能够采用下面的方式发生。振荡信号XI 506和Ref 508被设定成VDD/2，并且当下拉(pull-down)路径被启用的同时上拉(pull-up)路径被停用。外部晶体管RC 505被连接至VDD。如果MN 502b的尺寸非常大，那么它将会把XO节点512下拉到Ref 508以下，这将引起比较器输出变低。这个低信号引起SAR逻辑509将晶体管MN502b的尺寸减小。通过接通或断开晶体管MN502b的不同指状部(finger)来使MN502b的尺寸被逐次逼近，晶体管MN502b的尺寸被二进制加权。在这个实施例中，过程采取5个时钟周期，并且算法有效地针对由外部电阻器RC 505设置的晶体管MN 502b的正确驱动强度执行二进位检索。这将MN 502b校准至正确的驱动强度，从而补偿过程变化。类似地，通过将ENN 503a和ENP 503b设置成零并且将外部电阻器RC 505接地来改变MP502a的大小。外部电阻器RC505的尺寸可以被使用从而放大器501的大小被改变以供给5-20nA的偏置电流，5-20nA的偏置电流提供足够的驱动强度来满足振荡的巴克豪森准则。
图6示出了在校准(如同采用图3-图5中示出的多种实施例中实施的校准)之后的振荡器的示例的仿真结果，从而确认它能够在0.3V的VDD下以～2nW的功率消耗振荡。
如下所述，除了偏置放大器以实现亚阈值操作之外或替代偏置放大器以实现亚阈值操作，可以使用振荡器的反馈受控工作周期来测量XTAL的特征以在降低功率的同时维持振荡。晶体振荡器的能量存储在它的等效感应器和电容器中。在振荡饱和之后，存储在晶体等效感应器和电容器中的能量饱和。如果在这个条件下放大器被停用，那么振荡将开始衰减。当振荡器被停用时功率消耗变得忽略不计。振荡不会立刻消失而是随着由晶体的ESR(例如，图1中的111)和Lm(串联电感，例如图1中的109)给定的时间常数一起衰减。晶体振荡器的输出仍是有用的并且当晶体振荡器的输出衰减时能够用来提供时钟，因为晶体振荡器的输出的频率没有在幅值衰减时漂移。因此，可以通过切换放大器来进一步降低晶体振荡器的功率消耗。如果晶体振荡器输出的幅值被允许降低过多，那么振荡停止，因此放大器可以在振荡衰减过多之前回到接通状态。
图7示出了用于XTAL驱动器703和振荡控制705(例如，类似于图2中的反馈控制单元202)的***框图，振荡控制705使用来自(多个)振荡信号XI 701和/或XO 700的反馈来接通和关闭驱动器703以节省功率。反馈XTAL驱动器703生成工作周期信号以对XTAL 702处的振荡的包络线进行调制；并且振荡控制单元705使用来自振荡XI 701和/或XO 700的反馈周期地接通和/或关闭XTAL驱动器703，从而XTAL驱动器能够关闭以节省功率，但是在振荡停止之前及时地接通。例如，如图7所示，当放大器/驱动器被启用时(例如，在706)，振荡的包络线706的幅值增加；并且当放大器/驱动器被停用时(例如，在707)，振荡包络线706的幅值降低。因此，为了既节省功率又保持振荡，振荡控制单元705使用与振荡信号包络线(例如，701和700)相关的反馈信息来确保XTAL驱动器703及时回到接通状态以保持振荡，例如，当振荡的包络线的幅值衰减至最小值(例如，709)时接通放大器/XTAL驱动器703，而当振荡的包络线的幅值达到最大值时(例如，708)关闭放大器/XTAL驱动器703。采用这种方法，XTAL振荡的包络线的幅值可以在最小值709和最大值708之间振荡，从而XTAL振荡被维持。
图8示出了根据一个实施例的使用反馈来使XTAL放大器周期地工作以在确保振荡保持完好无损的同时节省功率的***和方案的***框图和定时图。在保持振荡的幅值足够高以使得接收器电路能够检测振荡的同时周期地切换放大器801。当放大器801被停用时(例如，在806)，XI 802处的振荡将随着时间常数(TD)807一起衰减，时间常数(TD)807由ESR(例如，图1中的111)和Lm(例如，图1中的109)确定。当放大器801在808期间再次被启用时，XTAL振荡的幅值随着时间常数(TG)809一起增长，时间常数(TG)809由RN-ESR和Lm确定。A.Shrivastava、R.Yadav和P.K.Rana的美国专利8120439，“Fast Start-up CrystalOscillator(快速启用晶体振荡器)”，该专利通过引用的方式被结合。为了最佳的节省功率，放大器801应该被停用一与TD 807成比例的时间并且启用一与TG 809成比例的时间，如图8中所示。其它控制方案实施例是可能的，包括振荡包络线幅值或最大值/最小值与电压参考的直接比较。
图8中的反馈控制单元(标记为“OSC TON和TOFF控制”)803测量TG和TD。当晶体振荡器(XTAL)输出的幅值穿过设置阈值时，基于振荡器输出频率运行的计数器被启用。计数器计数直到CI为止并且当晶体振荡器输出的幅值穿过较高的阈值时停止。这产生与TG成比例的数字输出脉冲。类似地，可获得具有与TD成比例的宽度C2的脉冲。反馈电路能够产生具有时间段(C1+C2)的时钟，C1作为高相宽度，C2作为低相宽度，如同图8所示。提出的技术使得晶体振荡器XTAL的放大器801能够校准切换并且将功率减小至近1nW或以下。
图9示出了根据一个实施例的用来测量TG的电路(例如，电路实施可以是图8中的振荡控制单元803的部分)和示出了XTAL振荡的包络线的增长的幅值的定时图。电路包括比较器901a-b和SR触发器902a-b。阈值电压VREFH 905a(例如，对于VDD＝0.3V时为220mV)和VREFL 905b(例如对于VDD＝0.3V时为200mV)被施加在对应的比较器的负端子处，而XI被施加在每个比较器的正端子处。一旦振荡的幅值超过VREFL，上比较器901a的输出变高，并且相对应的SR触发器902a被设置。这将CountEn 906设置成高。使用这个信号来启用计数器(未示出)，并且计数器开始计数。振荡的幅值继续增加。一旦振荡穿过VREFH 905a，下比较器901b变高，相对应的SR触发器902b被设置并且设置CountEn 906被设置成零。这使计数器停止并且设置计数器的值，计数器的值与振荡的增长成比例。计数器的值是数字的并且被存储，同时图9中的电路被停用以节省功率。提出的电路只在计数值被需要时消耗功率。
图10示出了根据一个实施例的用于获得振荡器的TD的电路实施(例如，电路实施可以是图8中的振荡控制单元803的部分)和示出了XTAL振荡的包络线的衰减幅值的定时图。图10中的电路与图9中示出的用于获得TG的电路非常相似，除了包括两个另外的D触发器1002a-b来捕捉负触发器之外。例如，当振荡器的幅值衰减至VREFH(1005a)以下时，下比较器1001b的输出变低，并且相对应的SR触发器1003b被设置并且因此D触发器1002a被设置成高。这将CountEn 906设置成高以使计数器启用并开始计数。当振荡的幅值继续衰减并且穿过VREFL 1005b时，上比较器1001a变低，并且因此相对应的SR触发器1003a被设置，并且D触发器1002a具有与1002b的输出值相同的输出值。这样，CountEn 906被设置成零。这使计数器停止并且设置计数器的值，计数器的值与振荡的衰减成比例。
当XI在VREFH 1005a和VREFL 1005b之间时也启用计数的计数器。当放大器(例如，图8中的801)被启用时，获得TG(例如，图8中的809)，而当放大器(例如，图8中的801)被停用时，获得TD(例如，图8中的807)。TG和TD都被数字地存储并且它们相对应的电路被停用以节省功率。在获得TG和TD之后，振荡器控制(例如，图8中的803)将放大器(例如，图8中的801)接通一与TD成比例的时间并且将它关闭一与TG成比例的施加。放大器的这种周期工作节省了功率，并且反馈方案保护振荡并确保振荡保持完好无损。总功率消耗可以例如到1nW以下。
图11示出了提出的晶体振荡电路的示例的完整电路图(例如，图7-图8中示出的XTAL电路的电路实施)。首先，在校准电路1101处执行放大器(例如，图8中的801)的校准。例如，可在制造后执行一次或更经常地执行放大器的校准以补偿环境改变。校准电路1101设置放大器的驱动强度并且补偿过程变化或其它变化。在校准之后，时间常数生成电路1102获得振荡器的增长时间TG和衰减时间TD。这些时间常数被用来配置时钟(DCCLK 1103)，以接通和关闭放大器。DCCLK 1103的工作周期由TG和TD确定，高时间＝TG，低时间＝TD。一旦DCCLK 1103被配置，时间常数生成电路1102被停用。类似地，在校准之后校准电路1101被停用，并且所有数字位被存储。这免除了校准电路1101或时间常数发生电路1102的功率花费。由具有工作周期的放大器给定功率消耗。如果需要，时钟缓冲器1105被用来将时钟水平变换成较高的电压。
图12示出了XTAL驱动器的仿真结果的示例，例如示出了XTAL放大器的工作周期，该工作周期引起振荡信号输出的锯齿包络线并且节省功率。采用130nm的商业CMOS工艺制造来实施图12中的示例的XTAL驱动器。波形示出电路以小于1nW的平均功率消耗和32.768kHz的频率成功操作。例如，图表1201示出具有幅值的工作周期的振荡，并且图表1202示出了在振荡工作周期期间用于XTAL放大器的周期的使能信号(例如图11中的DCCLK1103)。
图13示出了根据一个实施例的用于校准XTAL驱动器以在包括亚阈值区的低电压下操作的流程图(例如，如同由图2中的反馈控制单元202所执行的)。在1301，反馈控制单元可以被包括在XTAL电路中以将XTAL驱动器偏置于低电压(可以是亚阈值)，例如参见图2中的反馈控制单元202。在1302，反馈控制单元能够配置用于测量XTAL驱动器的特性的反馈电路(例如，参见图2)的任何负载器件，并且之后在1304测量影响负电阻的XTAL驱动器的电路特性，例如电压、电流和/或等等。在1304，反馈控制单元可以根据其它驱动器特性的需要重复步骤1302-1303以获得不同驱动器特性，例如振荡幅值等。在1305，基于测量值，控制反馈单元能够调整影响它的负电阻的XTAL驱动器以设置能够实现在低电压下的正确振荡的负电阻。
图14示出了根据一个实施例的用于在坚持振荡的同时使XTAL的驱动器周期地工作的流程图(例如，如同图7中的振荡控制单元705或图8中的803执行的)。如同图14所示，在1401，振荡反馈控制单元(例如，图7中的705；图8中的803)可以测量XTAL振荡包络线的上升时间和下降时间(例如，参见图7-图8中的振荡包络线的上升和下降)。在1402，振荡反馈控制单元可以使XTAL振荡开始并且允许振荡的幅值增加，例如通过达到最大振荡幅值(例如，参见图7中的708)。然后在1403，反馈控制单元可以关闭XTAL驱动器，以便节省功率；并且在1404，在XTAL驱动器在405再次接通之前等待一与测量的振荡包络线的下降时间成比例的时间。采用这种方法，反馈控制单元在振荡停止(例如，在振荡的幅值减小到零，或减小到足够小的值从而接收器电路不能检测到振荡等之前)之前保持振荡。然后在1406，控制单元可以等待一与测量的振荡包络线的上升时间成比例的时间，以等待振荡包络线的幅值到达最小值。在1407，可以采用重复的方式周期地执行XTAL驱动器的接通和关闭，以便形成工作周期，以节省功率和保持振荡。
图15示出了根据另一个实施例的用于使XTAL周期地工作同时坚持振荡的流程图(例如，如同图7中的振荡控制单元705，或图8中的803所执行的)。与图14中描绘的工作流程相类似，在1501，反馈控制单元可以使XTAL振荡开始并且允许振荡的幅值增加，并且可以在1502关闭XTAL驱动器以节省功率。然后在1503，控制单元可以测量XTAL包络线直到XTAL振荡包络线达到范围中的阈值或极限，例如图7中的最小值709，并且然后在1504接通XTAL驱动器。然后在1505，控制单元可以测量XTAL包络线直到它达到范围中的最大阈值或极限，例如图7中的最大值708。然后控制器单元可以监测XTAL振荡并且如同在步骤1502-1505中地重复接通/关闭XTAL驱动器。
总的来说，在一些实施例中，用于XTAL的放大器被偏置于亚阈值工况中。另外地或替代地，反馈控制方案可以被用来偏置用于偏置于亚阈值工况中的XTAL的放大器。
在一些实施例中，在XTAL振荡的幅值开始衰减的同时，XTAL振荡器的放大器能够周期地工作以节省功率，但是放大器能够回到接通状态以在它停止之前维持振荡。另外地或替代地，在XTAL振荡的幅值开始衰减的同时，使XTAL振荡器的放大器周期工作的反馈控制方案能够被用来节省功率，并且放大器能够回到接通状态以在它停止之前维持振荡。
文中描述的方法和设备中的一些意在能够被软件(存储在存储器中并且在硬件上执行的软件)、硬件或其组合执行。例如，上述控制电路可替代地是在这类软件和/或硬件中实施或包括这类软件和/或硬件的控制模块或控制装置。硬件模块可以包括，例如通用处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、和/或专用集成电路(ASIC)。(在硬件上执行的)软件模块可以采用包括C、C++、JavaTM、Rudy、Visual BasicTM和其它面向对象的、程序的、或其它编程语言的多种软件语言(例如，计算机代码)和开发工具表达。计算机代码的示例包括但不限于微代码或微指令、机器指令(例如被编译器生成的)，用来生成网络服务的代码，和包含由计算机使用解释器执行的高级指令的文件。计算机代码的另外的示例包括但不限于控制信号、加密代码和压缩代码。
文中描述的一些实施例涉及具有永久计算机可读介质(也可被称为永久处理器可读介质)计算机存储产品，永久计算机可读介质具有在其上的用于执行多种计算机实施的操作的指令或计算机代码。从它本身不包括暂时传播信号(例如，在诸如空间或电缆的传送介质上携带信息的传播电磁波)的意义上说，计算机可读介质(或处理器可读介质)是永久的。媒介和计算机代码(也可称为代码)可以是针对专用目的或多个专用目而设计和构建的那些媒介和代码。永久计算机可读介质的示例包括但不限于磁性存储媒介，例如硬盘、软盘和磁带；光学贮存媒介，例如压缩磁盘/数字视频光盘(CD/DVD)、压缩磁盘只读存储器(CD-ROM)和全息装置；磁光存储媒介，例如光盘；载波信号处理模块；和被专门配置成存储和执行程序代码的硬件装置，例如专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑装置(PLD)、只读存储器(ROM)和随机访问存储器(RAM)装置。
尽管上面已经描述的多种实施例，但是应理解的是，它们仅通过示例的方式展示，而非限制。在上面描述的方法和步骤表明某些事件以某个顺序发生的情况下，可以修改某些步骤的顺序。另外，当可能时，某些步骤可以采用并行处理的方式同时执行，也可以如上所述的顺序执行。尽管多种实施例已经被描述成具有特定特征和/或器件的组合，但是具有来自文中描述的任何实施例的任何特征和/或器件的任何组合或子组合的实施例是可能的。
Claims (20)
1.一种设备，所述设备包括：
晶体振荡器(XTAL)驱动器，所述晶体振荡器(XTAL)驱动器具有放大器，所述放大器带有金属-氧化物-半导体(MOS)晶体管，所述XTAL驱动器被配置成在所述MOS晶体管在亚阈值工况下操作时产生操作信号以操作XTAL；和
反馈控制单元，所述反馈控制单元操作地耦接至所述XTAL驱动器，所述反馈控制单元被配置成从所述XTAL驱动器接收输出，所述反馈控制单元被配置成基于所述输出来生成调节信号，所述反馈控制单元被配置成将所述调节信号发送到所述XTAL驱动器，
所述XTAL驱动器被配置成响应于所述调节信号对所述XTAL驱动器的电路水平特性进行调节，从而所述XTAL驱动器的放大器的负电阻被校准至一值，以使所述MOS晶体管在所述压阈值操作工况下操作。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述反馈控制单元被配置成将所述放大器偏置于在所述亚阈值工况下操作。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述放大器包括数字反相器，所述数字反相器具有所述MOS晶体管。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，
所述放大器包括数字反相器，
通过基于作为反馈控制的所述输出调整所述数字反相器的晶体管强度来校准所述放大器的负电阻。
5.根据权利要求1所述的设备，所述设备还包括：
片外电阻器，所述片外电阻器具有电阻参考值并且操作地耦接至所述XTAL驱动器，
所述XTAL驱动器被配置成在维持电压参考时访问所述片外电阻器。
6.根据权利要求4所述的设备，其中，所述反馈控制单元被配置成基于所述输出和所述电压参考的比较生成所述调节信号，以调节所述MOS晶体管的有效长度。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述值足够满足XTAL振荡的条件。
8.一种设备，所述设备包括：
晶体振荡器(XTAL)，所述晶体振荡器(XTAL)被配置成生成振荡；
XTAL驱动器，所述XTAL驱动器通信地耦接至所述XTAL，所述XTAL驱动器被配置成生成工作周期信号以对振荡的包络线进行调制；以及
反馈控制单元，所述反馈控制单元通信地耦接至所述XTAL驱动器和所述XTAL，所述反馈控制单元被配置成使用来自振荡的反馈以重复地在所述振荡的包络线的幅值衰减至最小值时接通所述XTAL驱动器，在所述振荡的包络线的幅值达到最大值时关闭所述XTAL驱动器。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述XTAL被配置成在金属-氧化物-半导体(MOS)晶体管的亚阈值工况下操作。
10.根据权利要求8所述的设备，其中，
所述XTAL驱动器被配置成在工作周期期间在不停止振荡的情况下对所述振荡的包络线进行调制，并且
所述反馈控制单元在所述振荡的包络线的幅值降低时及时接通所述XTAL驱动器以维持振荡。
11.根据权利要求8所述的设备，其中，所述XTAL驱动器包括放大器，所述放大器被配置成在维持所述振荡的包络线的幅值足够高以使接收器电路能够检测振荡的同时重复地切换。
12.根据权利要求8所述的设备，其中，所述XTAL驱动器被配置成被关闭一与XTAL振荡的下降时间成比例的时间。
13.根据权利要求8所述的设备，其中，所述XTAL驱动器被配置成被接通一与XTAL振荡的上升时间成比例的时间。
14.一种用于使XTAL周期地工作的方法，所述方法包括：
获得XTAL振荡包络线的上升时间和下降时间的测量值；
将开始信号发送到所述XTAL以使XTAL振荡开始，所述XTAL振荡被配置成达到最大幅值；以及
重复执行以下：
发送第一信号以关闭所述XTAL驱动器一与所述XTAL振荡包络线的下降时间成比例的第一时间，并且
发送第二信号以接通所述XTAL驱动器一与所述XTAL振荡包络线的上升时间成比例的第二时间；
所述第一时间和所述第二时间与所述XTAL振荡包络线的增长延迟和衰减延迟有关，从而保持所述XTAL振荡。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，通过测量电路获得所述XTAL振荡包络线的上升时间和下降时间的测量值，所述测量电路具有第一比较器和第二比较器，所述第一比较器被配置成设置用于计数器的高值以在所述XTAL振荡的幅值增加时开始计数，所述第二比较器被配置成设置用于所述计数器的零值以在所述XTAL振荡的幅值降低时停止计数。
16.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括：
监测并控制与所述XTAL振荡包络线的增长延迟和衰减延迟相关的所述第一时间和所述第二时间。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述XTAL驱动器在所述XTAL驱动器的MOS晶体管的亚阈值工况下操作所述XTAL。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述XTAL驱动器在工作周期期间在不停止所述XTAL振荡的情况下对所述XTAL振荡包络线进行调制。
19.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括使用来自所述XTAL振荡的反馈来周期地接通和关闭所述XTAL驱动器。
20.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括：
关闭所述XTAL驱动器直到所述XTAL振荡包络线达到最小值；
接通所述XTAL驱动器直到所述XTAL振荡包络线达到最大值；以及
重复地接通和关闭所述XTAL驱动器，从而保持所述XTAL振荡。
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