МАЛОШУМЯЩИЙ РЕГУЛЯТОР АМПЛИТУДЫ ОСЦИЛЛЯТОРА
LOW-NOISE OSCILLATOR AMPLITUDE REGULATOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Решение, представленное в настоящем документе, относится, в общем случае, к генерации частоты, а более конкретно - к уменьшению фазового шума и потребления энергии схем генерации высокой частоты.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Осцилляторы широко используются в различных электронных устройствах, например, для обеспечения опорных синхроимпульсов, смешивания частот для телекоммуникационных сигналов и т.д. Осциллятор на основе отрицательного сопротивления представляет один тип архитектуры осциллятора, обычно используемого для генерации сигналов высокой частоты, таких, которые используются в устройствах беспроводной связи. Примеры осцилляторов на основе отрицательного сопротивления включают в себя кварцевые генераторы, осцилляторы на основе поверхностных акустических волн (SAW) и т.д., но не ограничиваются ими. Осцилляторы на основе отрицательного сопротивления содержат ядро осциллятора, имеющее резонирующую схему, функционально соединенную со схемой отрицательного сопротивления. Резонирующая схема колеблется на необходимой резонансной частоте, и схема отрицательного сопротивления устраняет резистивные потери резонирующей схемы. В действительности, схема отрицательного сопротивления устраняет естественное затухание резонирующей схемы и поэтому предоставляет возможность ядру осциллятора непрерывно колебаться на необходимой резонансной частоте.
Успешная работа электронных устройств, содержащих такие осцилляторы, требует точного и надежного управления амплитудой. В частности, управление амплитудой необходимо вследствие того, что различные Q-значения, например, различных резонирующих схем, а также различные условия PVT (процесс, напряжение и температура) для любого осциллятора могут вызывать изменчивость амплитуды в широких пределах. Например, осциллятор, имеющий резонирующую схему с высоким Q, будет иметь колебания с более высокой амплитудой, чем осциллятор, имеющий резонирующую схему с низким Q. Дополнительно, осциллятор, работающий в линейном режиме, требует, чтобы непрерывное регулирование амплитуды предотвращало быстрое падение амплитуды осциллятора до нуля или ее увеличение до уровня, ограниченного нелинейными эффектами, такими, например, как ограничение напряжения, осциллятора. Такое ограничение напряжения может значительно ухудшать характеристики работы осциллятора, увеличивать риск паразитной генерации, увеличивать потребление тока (в зависимости от топологии схемы) и, в общем случае, делать поведение осциллятора более непредсказуемым. Точное и надежное управление амплитудой будет компенсировать изменчивость амплитуды по широкому спектру Q-значений и условий PVT, а также гарантировать хорошую шумовую характеристику, обеспечивать низкое потребление тока, избегать паразитной генерации и, возможно, предотвращать повреждение активных и пассивных компонентов.
m
Контур отрицательной обратной связи обеспечивает один способ управления амплитудой на выходе осциллятора, в котором контур отрицательной обратной связи определяет амплитуду на выходе осциллятора и затем корректирует эту амплитуду с помощью управления рабочей точкой ядра осциллятора. Например, управление током через активные транзисторные устройства ядра осциллятора управляет активной проводимостью g ядра осциллятора для управления отрицательным сопротивлением, и таким образом управляет амплитудой осциллятора. Однако такие контуры отрицательной обратной связи могут вводить шум в ядро осциллятора, особенно когда контур отрицательной обратной связи имеет высокое усиление. Дополнительно, нелинейные свойства ядра осциллятора преобразуют входной шум в шум и AM (амплитудной модуляции), и PM (фазовой модуляции). Хотя увеличение усиления по петле контура отрицательной обратной связи уменьшит шум AM, такое увеличенное усиление по петле не только увеличит потребление энергии, но также не уменьшит шум PM. Хотя уменьшение полосы пропускания контура отрицательной обратной связи также уменьшит шум, такое уменьшение полосы пропускания, однако, увеличит время запуска осциллятора и может также нежелательно увеличивать размер (используемую область чипа) любого фильтра, требуемого для фильтрации входного сигнала осциллятора. Таким образом, такое уменьшение полосы пропускания также нежелательно.
Как отмечено выше, осцилляторы на основе отрицательного сопротивления особенно полезны для высокочастотных применений и могут быть особенно важны для осуществления связи mmW (на миллиметровых волнах). Кроме того, в частности, для генераторов опорного сигнала на основе, например, кристалла или резонаторов SAW, ожидается использование даже более высоких частот с применяемых в настоящее время 10-к МГц до 100-н МГц и, возможно, даже частот, приближающихся к диапазону ГГц. Генерация таких высоких частот в общем случае приводит к более высокому потреблению энергии. Дополнительно, генерация таких высоких частот также создает сложные проблемы при разработке из-за увеличенных допусков резонаторов, увеличенного шума, увеличенных размеров компонент, более длительного времени запуска и/или большего влияния паразитных элементов схемы и связанного с ними корпуса. Таким образом, остается потребностью в улучшенных схемах генерации высокой частоты, которые не приводят к более высокому потреблению энергии, более высокому шуму и/или более длительному времени запуска.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Решение, представленное в данном документе, генерирует высокочастотные сигналы с более низким потреблением энергии и более низким шумом с помощью управления амплитудой осциллятора, используя два тракта обратной связи. Первый тракт обратной связи обеспечивает непрерывное управление амплитудой осциллятора, реагируя на амплитуду, определенную на выходе осциллятора. Второй тракт обратной связи обеспечивает дискретное управление параметром(ами) регулирования амплитуды осциллятора, реагируя на определенную амплитуду осциллятора. Поскольку второй тракт обратной связи предоставляет возможность корректировки параметра(ов) регулирования амплитуды, второй тракт обратной связи предоставляет возможность усилителю по первому тракту обратной связи работать с уменьшенным усилением и, таким образом, также с уменьшенной мощностью и с уменьшенным шумом, не ухудшая характеристики работы осциллятора.
Один примерный вариант осуществления содержит схему генерации частоты, содержащую осциллятор, детектор, первый тракт обратной связи и второй тракт обратной связи. Осциллятор содержит выход осциллятора, первый управляющий вход и второй управляющий вход. Детектор сконфигурирован для определения амплитуды на выходе осциллятора. Первый тракт обратной связи функционально соединяет детектор с первым управляющим входом и сконфигурирован для обеспечения непрерывного во времени управления, реагируя на определенную амплитуду, амплитудой на выходе осциллятора с помощью непрерывного управления первым управляющим сигналом, подаваемым на первый управляющий вход. Второй тракт обратной связи функционально соединяет детектор со вторым управляющим входом и сконфигурирован для обеспечения дискретного во времени управления, реагируя на определенную амплитуду, одним или большим количеством параметров регулирования амплитуды осциллятора с помощью обеспечения дискретного во времени управления вторым управляющим сигналом, подаваемым на второй управляющий вход.
Другой примерный вариант осуществления содержит способ управления осциллятором, содержащим выход осциллятора, первый управляющий вход и второй управляющий вход. Данный способ содержит этапы, на которых определяют амплитуду на выходе осциллятора и обеспечивают непрерывное во времени управление, реагируя на определенную амплитуду, амплитудой на выходе осциллятора с помощью непрерывного управления первым управляющим сигналом, подаваемым на первый управляющий вход. Способ дополнительно содержит этап, на котором обеспечивают дискретное во времени управление, реагируя на определенную амплитуду, одним или большим количеством параметров регулирования амплитуды осциллятора с помощью обеспечения дискретного во времени управления вторым управляющим сигналом, подаваемым на второй управляющий вход.
Другой примерный вариант осуществления содержит компьютерный программный продукт, сохраненный на долговременном машиночитаемом носителе для управления осциллятором схемы генерации частоты. Осциллятор содержит выход осциллятора, первый управляющий вход и второй управляющий вход. Компьютерный программный продукт содержит команды программного обеспечения, которые при их исполнении схемой генерации частоты предписывают схеме генерации частоты определять амплитуду на выходе осциллятора и обеспечивать непрерывное во времени управление, в качестве реакции на эту определенную амплитуду, амплитудой на выходе осциллятора с помощью непрерывного управления первым управляющим сигналом, подаваемым на первый управляющий вход. Команды программного обеспечения при их исполнении схемой генерации частоты, дополнительно предписывают схеме генерации частоты обеспечивать дискретное во времени управление, в качестве реакции на упомянутую определенную амплитуду, одним или большим количеством параметров регулирования амплитуды осциллятора с помощью обеспечения дискретного во времени управления вторым управляющим сигналом, подаваемым на второй управляющий вход.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 показывает структурную схему схемы генерации частоты согласно одному примерному варианту осуществления.
Фиг. 2 показывает способ управления амплитудой согласно одному примерному варианту осуществления.
Фиг. 3 показывает структурную схему первого тракта обратной связи схемы генерации частоты по фиг. 1 согласно одному примерному варианту осуществления.
Фиг. 4 показывает структурную схему второго тракта обратной связи схемы генерации частоты по фиг. 1 согласно одному примерному варианту осуществления.
Фиг. 5 показывает другой способ управления амплитудой согласно одному примерному варианту осуществления.
Фиг. 6 показывает результаты моделирования, которые можно достичь только с помощью первого тракта обратной связи, имеющего высокое усиление.
Фиг. 7 показывает результаты моделирования, которые можно достичь только с помощью первого тракта обратной связи, имеющего низкое усиление.
Фиг. 8 показывает примерные результаты моделирования, которые можно достичь с помощью решения, представленного в данной работе.
Фиг. 9 показывает примерные результаты моделирования, когда первый тракт обратной связи имеет различные усиления.
Фиг. 10 показывает примерные результаты моделирования улучшения шума, которые можно достичь с помощью решения, представленного в данной работе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Фиг. 1 показывает структурную схему схемы 100 генерации частоты согласно одному примерному варианту осуществления. Для простоты, фиг. 1 показывает только элементы схемы 100 генерации частоты, необходимые для упрощения описания, приведенного в данном документе. Специалисты должны признать, что схема 100 генерации частоты может включать в себя дополнительные компоненты и/или сигнальные соединения, не показанные на фиг. 1.
1
2
1
2
0
1
0
2
m
m
2
2
1
Схема 100 генерации частоты включает в себя осциллятор 110, подключенный к управляющей схеме 115, которая управляет амплитудой на выходе осциллятора. Осциллятор 110 включает в себя первый управляющий вход (CTRL), второй управляющий вход (CTRL) и выход (OUT). Осциллятор 110 может содержать кварцевый генератор или любой другой осциллятор на основе отрицательного сопротивления, который включает в себя резонирующую схему 112, функционально соединенную со схемой 114 отрицательного сопротивления. В одном примерном варианте осуществления резонирующая схема 112 может содержать кристалл, и схема 114 отрицательного сопротивления может содержать усилитель (не показан). Первый и второй управляющие сигналы, S и S, подаваемые на соответствующие первый и второй управляющие входы, управляют амплитудой сигнала S на выходе осциллятора 110. В частности, первый управляющий сигнал S обеспечивает непрерывное во времени управление амплитудой S, в то время как второй управляющий сигнал S обеспечивает дискретное во времени управление одним или большим количеством параметров регулирования амплитуды осциллятора 110, как описано дополнительно ниже. Примерные параметры регулирования амплитуды включают в себя, но не в ограничительном смысле, ток смещения осциллятора, количество активных g-ячеек осциллятора, точку смещения одной или большего количества g-ячеек осциллятора и/или переменное сопротивление, соединенное параллельно с ядром осциллятора 110. Из-за того, что второй управляющий сигнал S управляет конфигурацией осциллятора 110, S предоставляет возможность снижения требований, которые были бы иначе возложены на непрерывное во времени управление амплитудой, обеспечиваемое с помощью первого управляющего сигнала S.
1
2
0
0
0
1
2
Управляющая схема 115 генерирует первый и второй управляющие сигналы S, S, реагируя на выходной сигнал Sосциллятора, согласно примерному способу 200 по фиг. 2. Более конкретно, управляющая схема 115 содержит детектор 120, первый тракт 130 обратной связи и второй тракт 140 обратной связи. Детектор 120, который подключен между выходом осциллятора и входами первого тракта 130 обратной связи и второго тракта 140 обратной связи, определяет амплитуду A на выходе S осциллятора (этап 210). Первый тракт 130 обратной связи обеспечивает непрерывное во времени управление амплитудой на выходе Sосциллятора с помощью непрерывного управления первым управляющим сигналом S, реагируя на определенную амплитуду A (этап 220). Второй тракт 140 обратной связи обеспечивает дискретное во времени управление одним или большим количеством параметров регулирования амплитуды осциллятора 110 с помощью управления, в дискретное время, вторым управляющим сигналом S, реагируя на определенную амплитуду A (этап 230). Например, второй управляющий сигнал может обеспечивать дискретное во времени управление параметром(ами), управляющим работой схемы 114 отрицательного сопротивления. С помощью управления параметром(ами) регулирования амплитуды осциллятора 110, второй тракт 140 обратной связи предоставляет возможность первому тракту 130 обратной связи работать с низким усилением, и поэтому - на более низкой мощности и с меньшим количеством шума.
ref
err
ref
1
1
1
0
Фиг. 3 показывает структурную схему первого тракта 130 обратной связи согласно одному примерному варианту осуществления. В этом варианте осуществления первый тракт 130 обратной связи включает в себя усилитель 132 и фильтр 134. Упомянутую определенную амплитуду A, а также опорную амплитуду A, вводят в усилитель 132. Усилитель 132 усиливает ошибку A амплитуды, сформированную исходя из разности между определенной амплитудой A и опорной амплитудой A, и фильтр 134 помогает уменьшать шум, вводимый в осциллятор 110, с помощью низкочастотной фильтрации усиленного сигнала для генерации первого управляющего сигнала S. Первый управляющий сигнал S управляет усилением ядра осциллятора с помощью управления усилением схемы 114 отрицательного сопротивления. Таким образом, первый управляющий сигнал Sуправляет амплитудой на выходе Sосциллятора.
1
0
0
Усилитель 132 устанавливает усиление первого тракта 130 обратной связи. Поскольку различные условия окружающей среды, свойства осциллятора и/или возраст осциллятора 110 могут повлиять на способность первого управляющего сигнала S в достаточной степени управлять амплитудой на выходе S осциллятора, обычные системы имеют тенденцию устанавливать усиление усилителя 132 так, чтобы он учитывал широкий спектр условий, даже если некоторые из более экстремальных условий являются очень редкими. Например, более высокие температуры могут уменьшать усиление ядра осциллятора относительно того, каким это усиление было бы с тем же управляющим сигналом, вводимом при обычных рабочих температурах. Обычные решения решают эту проблему с помощью обеспечения того, что усиление усилителя 132 является достаточно высоким, чтобы предоставить ядру осциллятора возможность справляться даже с экстремальными температурными условиями, не снижая амплитуду на выходе S осциллятора ниже необходимого уровня. Такие режимы высокого усиления, однако, побуждают усилитель 132 потреблять больше энергии и вносить больше шума в ядро осциллятора, чем иначе было бы необходимо для многих рабочих условий.
0
m
m
0
m
m
Решение, предложенное в данной заявке, внедряет второй тракт 140 обратной связи в управляющую схему 115 для управления параметром(ами) регулирования амплитуды осциллятора 110, что предоставляет возможность разрабатывать и конфигурировать первый тракт 130 обратной связи для низкого усиления. Такое снижение усиления первого тракта 130 обратной связи предоставит схеме 100 генерации частоты возможность работать с более низкой мощностью и уменьшит уровень шума, вводимого в осциллятор 110. Для этой цели второй тракт 140 обратной связи управляет одним или несколькими параметрами регулирования амплитуды, реагируя на определенную амплитуду A на выходе S осциллятора. Например, если определенная амплитуда A снижается слишком низко, указывая, что первый управляющий сигнал не имеет возможности в достаточной степени усиливать амплитуду осциллятора, второй тракт 140 обратной связи может корректировать параметры регулирования амплитуды, например, с помощью увеличения тока смещения, увеличения количества активных g-ячеек осциллятора и/или увеличения точки смещения одной или большего количества активных g-ячеек. Альтернативно или дополнительно, второй тракт 140 обратной связи может корректировать параметры регулирования амплитуды с помощью увеличения сопротивления переменного сопротивления, соединенного параллельно с ядром осциллятора, например, используя переменный резистор 116, подсоединенный через дифференциальные выходы осциллятора 110. В другом примере, если определенная амплитуда A повышается слишком высоко, указывая, что амплитуда выходного сигнала S осциллятора слишком высокая, второй тракт 140 обратной связи может уменьшать ток смещения, уменьшать количество активных g-ячеек осциллятора, уменьшать точку смещения одной или большего количества активных g-ячеек и/или уменьшать сопротивление переменного резистора 116, соединенного параллельно с ядром осциллятора 110. В любом случае второй тракт 140 обратной связи корректирует параметр(ы) регулирования амплитуды для текущих условий работы, которые указываются с помощью определенной амплитуды A, чтобы предоставить осциллятору 110 возможность поддерживать необходимую амплитуду на выходе, не требуя, чтобы первый тракт 130 обратной связи имел высокое усиление.
2
U
L
2
2
2
Из-за того, что усиление усилителя 132 разработано для того, чтобы справляться с большинством условий работы, управление, обеспечиваемое вторым путем 140 обратной связи, может воплощаться дискретным во времени способом. Например, второй тракт 140 обратной связи может включать в себя управляющую схему 142, как показано на фиг. 4. Управляющая схема 142 может управлять параметром(ами) регулирования амплитуды осциллятора дискретным во времени способом с помощью управления только параметром(ами) регулирования амплитуды, когда определенная амплитуда A соответствует одному или нескольким предопределенным условиям, например, условиям порогового значения. Например, управляющая схема 142 может управлять вторым управляющим сигналом S для управления параметром(ами) регулирования амплитуды только тогда, когда определенная амплитуда A превышает верхнее пороговое значение T или ниже нижнего порогового значения T. Кроме того, управляющая схема 142 может управлять вторым управляющим сигналом S для управления параметром(ами) регулирования амплитуды только при определенных условиях работы и/или реагируя на триггер события. Например, управляющая схема 142 может управлять вторым управляющим сигналом S для предоставления возможности параметру(ам) регулирования амплитуды изменяться, когда осциллятор 110 включается и/или когда осциллятор 110 действует в ответ на некоторый триггер события связи. Однако, из-за того, что изменение параметров регулирования амплитуды во время, например, активного осуществления связи, может нарушать фазу и/или частоту осциллятора 110, управляющая схема 142 может управлять вторым управляющим сигналом S для предотвращения изменения параметра(ов) регулирования амплитуды в такие периоды для предотвращения этого нарушения. Управляющая схема 142 поэтому может использовать, в дополнение к условиям порогового значения, триггеры событий включения/выключения и/или событий связи для обеспечения дополнительного дискретного во времени управления параметром(ами) регулирования амплитуды осциллятора.
0
u
L
Примерный способ 250 на фиг. 5 обеспечивает более подробный подход для управления осциллятором 110 при запуске. В этом примерном способе 250 включают осциллятор 110 (этап 202), и процесс ожидает, когда осциллятор 110 войдет в стабильное состояние (этап 204). Когда осциллятор 110 входит в стабильное состояние (этап 204), детектор 120 определяет амплитуду A на выходе S осциллятора (этап 210). Если определенная амплитуда A превышает верхнее пороговое значение T (этап 232) или меньше нижнего порогового значения T (этап 234), то управляющая схема 142 во втором тракте 140 обратной связи устанавливает, что осциллятор 110 не имеет возможности поддерживать необходимую амплитуду с текущей конфигурацией. В ответ управляющая схема 142 поэтому изменяет один или несколько параметров регулирования амплитуды осциллятора 110 (этап 236). Этапы 210, 232 и 234 могут повторяться, когда осциллятор 110 снова войдет в стабильное состояние (этап 204). Это повторение может быть бесконечным или может завершаться после некоторого предопределенного максимального количества итераций.
Фиг. 6-10 показывают результаты моделирования для демонстрации преимуществ решения, предложенного в данной работе. Фиг. 6 и 7 сначала показывают амплитуду колебания, которую можно достичь, когда управляющая схема 115 не включает в себя второй тракт 140 обратной связи. В этом случае параметры регулирования амплитуды осциллятора 110 фиксируются, и первый тракт 130 обратной связи обеспечивает единственное управление амплитудой. Фиг. 6 обеспечивает результаты, когда усилитель 132 в первом тракте 130 обратной связи конфигурируется для работы с высоким усилением, что приводит к относительно высокому усилению по петле, например, больше 10, по сравнению с результатами на фиг. 7, где усилитель 132 работает с низким усилением, что приводит к относительно низкому усилению по петле, например, меньше 5. Как показано на фиг. 6, воплощение более высокого усиления по петле обеспечивает очень низкую изменчивость амплитуды, например, 50-55% от полного размаха колебания. Однако высокое усиление, необходимое для достижения этой низкой изменчивости амплитуды, приводит к более высокому потреблению электроэнергии и к высоким уровням шума. Воплощение более низкого усиления по петле предоставляет возможность более низкого потребления энергии и уровней шума, но как показано на фиг. 7, это воплощение более низкого усиления по петле имеет относительно высокую изменчивость амплитуды, например, 48-68% от полного размаха колебания.
m
Фиг. 8 показывает результаты, когда управляющая схема 115 включает в себя второй тракт 140 обратной связи для предоставления возможности дискретной во времени корректировки параметра(ов) регулирования амплитуды осциллятора 110. В этом моделировании первый тракт 130 обратной связи имеет низкое усиление, и второй тракт 140 обратной связи используется для управления двумя дополнительными параметрами регулирования амплитуды, например, следовым током смещения и/или количеством g-ячеек в ядре осциллятора, как показано тремя кривыми на фиг. 8. Как показано на фиг. 8, решение, предложенное в данной заявке, приводит к более низкой изменчивости (52-60%) амплитуды, что было ранее недостижимо, когда первый тракт 130 обратной связи имел более низкое усиление по петле. Таким образом, предложенное в настоящей заявке решение обеспечивает преимущества, заключающиеся в более низком шуме и потреблении энергии, которые более типично связаны с воплощениями более низкого усиления по петле, хотя также предоставляет преимущества управления амплитудой, которые более типично связаны с воплощениями более высокого усиления по петле.
Фиг. 9 показывает результаты моделирования, демонстрирующие, как усиление усилителя 132 может выбираться для достижения необходимого компромисса между управлением амплитудой и снижением шума/мощности. Результаты на фиг. 9 демонстрируют амплитудную характеристику осциллятора для шести сценариев, которые качественно задаются в каждой точке, например, «высокое усиление по петле», «низкое усиление по петле, когда схема включает в себя второй тракт обратной связи» и т.д. Первые четыре сценария показывают амплитудную характеристику для сценариев высокого/низкого усиления по петле и высокого/низкого Q, когда схема не включает в себя второй тракт 140 обратной связи. Последние два сценария показывают амплитудную характеристику для сценариев низкого усиления по петле и высокого/низкого Q, когда схема включает в себя второй тракт 140 обратной связи.
m
Фиг. 10 показывает результаты моделирования, демонстрирующие шумовую характеристику для тех же шести сценариев, как на фиг. 9, и, таким образом, демонстрирует улучшение по отношению к шуму, обеспечиваемое решением, предложенным в данной заявке. В частности, два верхних графика показывают работу схемы 100 генерации частоты, когда параметры регулирования амплитуды фиксируются и усиление по петле первого тракта 130 обратной связи является высоким. Нижний график показывает результаты, когда второй тракт 140 обратной связи используется для изменения тока смещения и g-ячеек ядра осциллятора, когда усиление по петле первого тракта 130 обратной связи является низким. Решение, предложенное в данной заявке, поэтому обеспечивает схему генерации частоты, обладающую преимуществами управления амплитудой, связанными с отрицательной обратной связью с высоким усилением, и преимуществами по отношению к мощности и шуму, связанными с отрицательной обратной связью с низким усилением.
Настоящее изобретение может, конечно, быть реализовано способами, отличающимися от, в частности, тех, которые сформулированы в данном документе, не отступая от существенных характеристик изобретения. Настоящие варианты осуществления должны рассматриваться во всех отношениях в качестве иллюстративных, а не ограничительных, и все изменения, происходящие в пределах значения и диапазона эквивалентности прилагаемой формулы изобретения, как предполагается, охватываются ею.