DE69826244T2

DE69826244T2 - Programmierbarer kristalloszillator

Info

Publication number: DE69826244T2
Application number: DE69826244T
Authority: DE
Inventors: W. John FALLISGAARD; S. Eugene TREFETHEN
Original assignee: Jet City Electronics Inc; Fox Enterprises Inc
Current assignee: Jet City Electronics Inc; Fox Enterprises Inc
Priority date: 1997-02-05
Filing date: 1998-02-03
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2018-02-04
Also published as: US6664860B2; CN1191672C; ZA98866B; US20010017573A1; WO1998034338A1; EP0958652A1; DE69826244D1; US20030122630A1; US5952890A; EP0958652B1; BR9807549A; AU6050698A; MY118540A; KR20000070691A; HK1026079A1; TW404095B; AR011624A1; US6188290B1; CN1246219A; US6954113B2

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft programmierbare Kristalloszillatoren. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf eine programmierbare Oszillatorschaltung mit einer einstellbaren kapazitiven Lastschaltung gerichtet, die mit dem Kristall gekoppelt ist.
Kristalloszillatoren werden weit verbreitet verwendet, um Zeitgabesignale für elektronische Hardware zu erzeugen, wie beispielsweise für Computer, Instrumente und Telekommunikationsgeräte. Kristalloszillatoren enthalten typischerweise einen Quarzkristall und eine Oszillatorschaltung, die den Kristall elektrisch erregt, um ein oszillierendes Signal bei einer Resonanzfrequenz zu erzeugen, die durch physikalische Eigenschaften des Kristalls bestimmt ist. Die Oszillatorschaltung oder eine separate Ausgangsschaltung (ein Puffer) unterzieht das oszillierende Signal einer Wellenformung in einen Zeitgabe-Pulszug, der für die elektronische Hardware akzeptierbar ist.
Ein solcher programmierbarer Kristalloszillator ist aus EP 0 203 756 A2 bekannt, die einen Kristalloszillator offenbart, der mit einer kapazitiven Lastvorrichtung gekoppelt ist, um die kapazitive Last durch Schalten einer Vielzahl von Kondensatoren parallel zum Oszillatorkristall zu verändern. Die Ausgangsfrequenz kann durch einen Frequenzteiler in einem Phasenregelkreis geändert werden.
Weiterhin ist ein Kristalloszillator aus US 5,457,433 A bekannt, die eine Oszillatorschaltung mit einer kapazitiven Last offenbart, die durch Schalten von mehreren Kondensatoren mittels Schaltern verändert werden kann.
Weiterhin ist ein Kristalloszillator aus US 5,150,079 A bekannt, die eine Oszillatorschaltung offenbart, die ein Taktsignal ausgibt, das durch mehrere Teiler geteilt wird, die an die Oszillatorschaltung angebracht sind.
Weiterhin offenbart EP 0 637 876 A1 einen Phasenregelkreis mit einer modifizierten Teilungsvorrichtung zum Verbessern der Bandbreite des Phasenregelkreises.
Zeitgabefrequenzen werden durch die Hersteller elektronischer Hardware spezifiziert und variieren somit über einen weiten Frequenzbereich. Jedoch wird eine Resonanzfrequenz eines Kristalls durch seine physikalischen Eigenschaften bestimmt, wie z. B. die Größe, die Form, die kristalline Struktur, etc. Ein Abstimmen der Resonanzfrequenz des Kristalls kann durch selektives Metallplattieren der Kristallflächen erreicht werden. Folglich ist die Herstellung von Kristalloszillatoren ein beteiligter Prozess, der sowohl zeitaufwändig als auch kostspielig ist. Somit lagern Lieferanten von Kristalloszillatoren große Zahlen von Kristalloszillatoren, die für eine Vielfalt von Standard-Ausgabefrequenzen hergestellt sind. Jedoch dann, wenn ein Kunde eine an einen Kunden angepasste Frequenz erfordert, muss ein Hersteller im Allgemeinen durch Schneiden eines Rohblocks in Würfel in Kristallwafer von spezifischen Dimensionen und dann durch Unterziehen der Kristallwafer zahlreichen Verarbeitungsschritten (Läppen, Ätzen und Plattieren) "ganz von vorne anfangen", wobei alles entwickelt wird, um die an einen Kunden angepasste Ausgangsfrequenz zu erreichen. An einen Kunden angepasste Kristalloszillatoren kommen auf höchste Preise und erfordern lange Herstellungs-Anlaufzeiten (Monate).
Da virtuell alle Kristalle oszillieren können, ist eine Herstellungsausbeute sehr hoch. Jedoch dann, wenn die Resonanzfrequenz des Kristalls nicht abgestimmt werden kann, um eine Kunden-Frequenzspezifikation zu erfüllen, werden die Kristalle typischerweise in der Hoffnung inventarisiert, dass sie dazu verwendet werden können, eine andere Kunden-Frequenzspezifikation zu erfüllen. Im Fall von an einen Kunden angepassten Kristalloszillatoren ist es für Hersteller nicht ungewöhnlich, einen Überschuss von an einen Kunden angepassten Kristallen zu erzeugen, um ein ausreichendes Ausmaß von Kristallen sicherzustellen, die Kundenanforderungen in Bezug auf sowohl eine Ausgangsfrequenz als auch eine Quantität erfüllen können. Die überschüssigen Kristalloszillatoren werden dann im Inventar platziert. Ein Halten von großen Kristallinventaren stellt eine signifikante Herstellungsverteuerung dar.
Offenbarung der Erfindung
Das System und Verfahren, die zu dieser Erfindung gehören, lösen bestimmte Nachteile von herkömmlichen Ansätzen durch Bereitstellen einer programmierbaren Phasenregelschleifen- bzw. Phasenregelkreis- und Oszillatorabstimmschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteile der Erfindung werden teilweise in der Beschreibung aufgezeigt werden, die folgt, und werden teilweise aus der Beschreibung offensichtlich werden, oder können durch Ausführen der Erfindung gelernt werden. Zusätzlich werden Vorteile der Erfindung mittels der Elemente und Kombinationen realisiert und erreicht werden, die insbesondere in den beigefügten Ansprüchen aufgezeigt sind.
Es ist zu verstehen, dass sowohl die vorangehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung nur exemplarisch und erklärend sind und nicht für die Erfindung beschränkend sind, wie sie beansprucht ist.
Die beigefügten Zeichnungen die in einem Teil dieser Beschreibung enthalten sind und diese bilden, stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar, und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erklären der Prinzipien der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Draufsicht, die eine beispielhafte Paketkonfiguration für ein programmierbares Kristalloszillatorpaket gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ist ein Blockdiagramm eines programmierbaren Kristalloszillators gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein detailliertes Schaltungsschema einer programmierbaren kapazitiven Lastschaltung, die in dem programmierbaren Kristalloszillator der 2 enthalten ist; und
4 ist ein schematisches Diagramm eines Phasenregelkreises, der in dem programmierbaren Kristalloszillator der 2 enthalten ist.
Beste Art zum Ausführen der Erfindung
Nun wird detailliert Bezug auf das gegenwärtig bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung genommen, von welcher ein Beispiel in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. Wo immer es möglich ist, werden dieselben Bezugszeichen in allen Zeichnungen verwendet werden, um auf dieselben oder ähnliche Teile Bezug zu nehmen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein programmierbarer Kristalloszillator mit einem Speicher zum Speichern von Ausgangsfrequenz definierenden Parametern versehen. Typischerweise wird einer dieser Parameter zum Programmieren einer einstellbaren kapazitiven Lastschaltung verwendet, die mit dem Kristall gekoppelt ist, um dadurch die Quellen-(Resonanz-)Frequenz des Kristalls einzustellen. Zusätzliche Parameter werden zum Programmieren der Ausgangsfrequenz eines Phasenregelkreises verwendet, der gekoppelt ist, um die eingestellte Quellenfrequenz zu empfangen. Ein weiterer Parameter kann auch zum Teilen der von dem Phasenregelkreis ausgegebenen Frequenz verwendet werden, um dadurch die erwünschte Ausgangsfrequenz zu liefern. Als Ergebnis kann durch Speichern von geeigneten Parametern als Programmdaten im Speicher und durch Programmieren gemäß dieser Parameter nahezu jeder Kristall, der zu einer Oszillation fähig ist, in einem Kristalloszillator gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, der dann programmiert werden kann, um einen weiten Bereich von spezifizierten Ausgangsfrequenzen zu erzeugen. Darüber hinaus kann eine solche Frequenzprogrammierung schnell und bei geringen Kosten durchgeführt werden.
Ein Ausführungsbeispiel eines programmierbaren Kristalloszillators gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt. Dieser Oszillator 20 kann in einer Vielfalt von Industriestandard-Größen und in zwei Basis-Paketkonfigurationen hergestellt werden, und zwar mit Durchgangspins und oberflächenmontiert (SMD), und zwar in Abhängigkeit von der Art, auf welche der Oszillator bei seiner bestimmten Anwendung anzubringen ist. Das dargestellte Ausführungsbeispiel hat sechs Eingangs/Ausgangs-(I/O)-Anschlüsse, die aus einem Signatur-Taktanschluss 21, einem bestimmten Programmeingabeanschluss 22, einem Erdungs-(VSS)-Anschluss 23, einem Versorgungsspannungs-(VDD)-Anschluss 24, einem Signatur-Ausgangsanschluss 25 und einem Taktsignalausgabe (F_out)/Programmiertaktpulseingabe (CLK_in)-Anschluss 26 bestehen. Wie es nachfolgend detailliert beschrieben werden wird, werden Programmierdaten über den Anschluss 22 zu einer Zeitgabe eingegeben, die durch Taktpulse (CLK_in) gesteuert wird, die an den Anschluss 26 angelegt werden.
Wenn der programmierbare Kristalloszillator 20 durch die Programmierdaten programmiert ist, erzeugt er eine Taktsignalausgabe (F_out) am Anschluss 26 mit einer programmierten Frequenz gemäß einer kundenspezifizierten Zielfrequenz irgendwo innerhalb eines weiten Bereichs, z. B. 380 kHz bis 175 MHz, mit einer Genauigkeit von ±100 ppm (Teile pro Millionen) oder besser. In Bezug auf einen Prozentsatz ist 100 ppm gleich ± 0,01% der Zielfrequenz. Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung enthält der Kristalloszillator 20 einen programmierbaren Nurlesespeicher (PROM) 50 (2), in welchem Programmierdaten in der Form von Kundendaten über den Programmanschluss 22 eingegeben werden können, und zwar unter einer Zeitgabesteuerung, die durch Taktpulse (CLK_in) auferlegt ist, die an den Anschluss 26 angelegt sind, und zwar durch den Hersteller zu der Zeit, zu welcher Oszillator programmiert wird. Danach können die Kundendaten am Anschluss 25 durch Anlegen von Taktpulsen an den Anschluss 21 ausgelesen werden. Wenn dieses Signaturdatenmerkmal weggelassen wird, kann die in 1 dargestellte Kristalloszillator-Paketkonfiguration auf vier Anschlüsse reduziert werden.
Der programmierte Kristalloszillator 20, der detaillierter durch das Blockdiagramm der 2 dargestellt ist, enthält einen unbearbeiteten Kristall 30, der elektrisch zwischen Anschlussflecken 31 und 32 auf einem integrierten Schaltkreischip zur Erregung durch eine Oszillatorschaltung 34 und somit zum Erzeugen eines Quellen-Oszillationssignals verbunden ist. Diese Oszillatorschaltung enthält eine Anordnung aus einem Widerstand, einem Kondensator und Inverterkomponenten, die im Stand der Technik von Kristalloszillatoren wohlbekannt sind und somit hier nicht beschrieben werden müssen. Die Frequenz des Quellen-Oszillationssignals, die am Ausgang der Oszillatorschaltung 34 als Referenzfrequenzsignal F_ref erscheint, wird stark durch die physikalischen Eigenschaften des Kristallwafers bestimmt.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung bringt ein programmierbarer Kristalloszillator 20 einen weiten Bereich von Quellenfrequenzen unter, wie z. B. 5.6396 MHz bis 27.3010 MHz. Das bedeutet, dass die Quellenfrequenz von Kristall zu Kristall innerhalb dieses Bereichs variieren kann, ohne die Fähigkeit eines Kristalloszillators 20 zu gefährden, um auf Ausgangstaktsignale bei irgendeiner Zielfrequenz programmiert zu werden, die durch einen Kunden spezifiziert ist, innerhalb von beispielsweise einem Bereich von 380 kHz – 175 MHz, und zwar mit der Industriestandardgenauigkeit von wenigstens 100 ppm. Tatsächlich müssen die diversen Kristall-Quellenfrequenzen nicht vor einer Programmierung bekannt sein.
Immer noch unter Bezugnahme auf 2, gibt die Oszillatorschaltung 34 die Referenzfrequenz F_ref aus, die an einen Frequenzvervielfacher 36 angelegt wird, der detaillierter in 4 dargestellt ist. Der Frequenzvervielfacher gibt Taktsignale bei einer Frequenz F_pll zu einem Frequenzteiler 38 aus, der die Frequenz F_pll durch einen programmierbaren Parameter N teilt, der von einem Programmiernetz 42 empfangen wird, um Taktsignale F_out einer programmierten Frequenz gemäß einer Kundenspezifikation zu erzeugen. Die Signale F_out und F_ref werden als separate Eingaben zu einem Multiplexer 40 angelegt. Unter der Steuerung einer Programmsteuerlogik im Programmiernetz 42, die über einer Leitung 43 angeordnet ist, gibt der Multiplexer 40 jedes Taktsignal F_out oder F_ref über einen Ausgangspuffer 44 und an den Anschluss 26 aus.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung enthält der Kristalloszillator 20 weiterhin ein Paar von Lastschaltungen 46 und 48, die programmiert werden können, wenn es nötig ist, um die kapazitive Last am Kristall 30 einzustellen, und wiederum die Kristall-Quellenfrequenz in einen Bereich von Frequenzen zu ziehen, die für eine optimale Programmierung des Kristalloszillators 20 dienlich sind, um nicht nur die Ausgangsfrequenzgenauigkeit zu erreichen, die durch einen Kunden spezifiziert ist, sondern auch eine niedrige Phasenregelkreisfrequenz, die für eine stabile Operation des Frequenzvervielfachers 36 förderlich ist.
Lastschaltungen 46 und 48 sind detaillierter in 3 dargestellt. Die Lastschaltungen 46 und 48 können beispielsweise viele Kondensatoren 77₁ bis 77_n bzw. 87₁ bis 87_n enthalten. Die Kondensatoren 77₁ bis 77_n sind jeweils zwischen Erdungs- und Quellenelektroden von ersten Schaltelementen oder Transistoren 78₁ bis 78_n angeschlossen, und die Kondensatoren 87₁ bis 87_n sind jeweils zwischen Erdungs- und Quellenelektroden von zweiten Schaltelementen oder Transistoren 88₁ bis 88_n angeschlossen. Wie es weiterhin in 3 gezeigt ist, ist der Gateanschluss von jedem der Transistoren 78₁ bis 78_n durch eine entsprechende von Ausgangsleitungen 76₁ bis 76_n vom Programmiernetz 42 angeschlossen, die in 2 gemeinsam mit 76 angezeigt sind. Die Drainelektroden dieser Transistoren sind gemeinsam an eine Quellenfrequenz-Eingangsleitung 79 angeschlossen, die einen Kristall-Anschlussflecken 31 mit der Oszillatorschaltung 34 verbindet. Auf gleiche Weise sind die Gateelektroden jeweils mit Ausgangsleitungen 86₁ bis 87_n vom Programmiernetz 42 verbunden (die in 2 gemeinsam bei 86 angezeigt sind), und die Drainelektroden der Transistoren 88₁ bis 88_n sind gemeinsam mit einer Quellenfrequenz-Eingangsleitung 89 verbunden, die den Kristall-Anschlussflecken 32 mit der Oszillatorschaltung 34 verbindet. Zusätzlich sind feste Kondensatoren 75 und 85 (die jeweils eine Kapazität von z. B. 35 pF haben) als nominale Kapazitätslast für den unbearbeiteten Kristall 30 vorgesehen.
In Reaktion auf einen im Speichernetz 42 gespeicherten Parameter werden ausgewählte Ausgangsleitungen 76₁ bis 76_n und 86₁ bis 86_n hochgetrieben, um entsprechende der Transistoren 78₁ bis 78_n und 88₁ bis 88_n zu aktivieren oder einzuschalten. Als Ergebnis werden diejenigen Kondensatoren 77₁ bis 77_n und 87₁ bis 87_n , die zu den aktivierten Transistoren gehören, mit einer der Quellenfrequenz-Eingangsleitungen 79 und 89 gekoppelt. Somit kann die kapazitive Belastung des unbearbeiteten Kristalls 30 gemäß dem im Speichernetz 42 gespeicherten Parameter eingestellt werden, und die Kristall-Quellenfrequenz kann daher in einen erwünschten Bereich "gezogen" werden, was zulässt, dass eine grobe Ausgangsfrequenzeinstellung durch die Vervielfacherschaltung 36 erreicht wird. Wenn kein Ziehen der Kristallfrequenz nötig ist, wird keiner der Transistoren 78₁ bis 78_n und 88₁ bis 88_n aktiviert.
Jeder der Kondensatoren 77₁ bis 77_n und 87₁ bis 87_n kann eine Kapazität von beispielsweise 5 pF haben. Darüber hinaus sind die Kondensatoren 77₁ bis 77_n und 87₁ bis 87_n symmetrisch in Quellenfrequenz-Eingangsleitungen 79 bis 89 angeschlossen, so dass für jeden der Kondensatoren 77₁ bis 77_n , die an die Quellenfrequenz-Eingangsleitung 79 angeschlossen sind, ein entsprechender der Kondensatoren 87₁ bis 87_n an die Quellenfrequenz-Eingangsleitung 89 angeschlossen ist. Demgemäß sind jeweils Paare von Kondensatoren 77₁ bis 77_n und 87₁ bis 87_n (einer aus jeder Gruppe von Kondensatoren 77₁ bis 77_n und 87₁ bis 87_n ) mit Eingangsleitungen 79 und 89 verbunden, und die inkrementale Änderung einer Kapazität, die zu jedem Paar von Kondensatoren gehört, kann 2,5 pF sein. Wie es zuvor angegeben ist, ist diese Kapazitätsbelastungseinstellung effektiv zum Ziehen der Kristall-Quellenfrequenz nach oben oder nach unten, wie es erforderlich ist, um die Referenztaktsignalfrequenz F_ref auf einen Wert einzustellen, der für eine optimale Frequenzprogrammierung des Kristalloszillators 20 geeignet ist.
Wie es in 4 zu sehen ist, enthält der Frequenzvervielfacher 36 einen Frequenzteiler 52, der die Referenzfrequenz F_ref durch einen programmierbaren Parameter Q teilt, der im Programmiernetz 42 gespeichert ist, und die resultierende Taktsignalfrequenz an einen Phasendetektor 54 eines Phasenregelkreises (PLL) anlegt. Der Phasenregelkreis enthält eine Ladepumpe 56, ein Schleifenfilter 60 und einen spannungsgesteuerten Oszillator 58, der die Taktsignalfrequenz F_pll erzeugt, die zum Frequenzteiler 38 in 2 geht. Diese Taktsignalfrequenz F_pll wird auch über einen Frequenzteiler 64 zu einem zweiten Eingang des Phasendetektors 54 rückgekoppelt. Der Teiler 64 teilt die Frequenz F_pll durch einen programmierbaren Parameter P, der auch im Programmiernetz 42 gespeichert ist.
Während eines Betriebs werden Parameter Q und P, die nachfolgend weiter definiert sind, jeweils zu Programm-Teilerschaltungen 52 und 64 zugeführt, und zwar vom Programmiernetz 42. Die Referenzfrequenz F_ref wird somit durch den programmierten Parameter Q in der Teilerschaltung 52 geteilt. Wie es oben angegeben ist, entspricht F_ref der Quellenfrequenz des Kristalls 30, und ist daher typischerweise in einem Bereich von 5.64 MHz bis 27.3 MHz. Wenn Q eine ganze Zahl innerhalb eines Bereichs von 132 bis 639 ist, kann der Quotient F_ref/Q, d. h. die Ausgabe des Teilers 52, veranlasst werden, innerhalb des Bereichs von 32 kHz bis 50 kHz zu fallen, und zwar ungeachtet der Kristall-Quellenfrequenz. Der Quotient F_ref/Q ist die Kreisfrequenz des in 4 gezeigten Phasenregelkreises.
Die Kreisfrequenz wird zu einem Phasenkomparator 54 zugeführt, und zwar zusammen mit der Ausgabe des Teilers 64, der ein Steuersignal typischerweise bei einer Frequenz ausgibt, die im Wesentlichen gleich der Differenz zwischen den Ausgangsfrequenzen der Teiler 52 und 64 ist. Das Steuersignal wird wiederum zu der Ladepumpe 56 zugeführt, die ein DC-Signal bzw. Gleichstromsignal ausgibt, das proportional zu der Frequenz des Steuersignals ist. Das Schleifenfilter 60 ist am Ausgang der Ladepumpe 56 vorgesehen, um die Reaktion des Phasenregelkreises zu definieren.
Das DC-Signal wird als Nächstes zu einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 58 zugeführt, welcher ein Taktsignals F_pll einer Frequenz ausgibt, die durch das Potential des DC-Signals gesteuert wird. Das Taktsignal F_PLL wird als Nächstes zu einem der Eingänge des Phasendetektors 64 über den P-Teiler 64 rückgekoppelt. Demgemäß ist bei dieser Phasenregelkreisanordnung F_PLL gleich dem Produkt aus der Kreisfrequenz, multipliziert mit einem programmierbaren P, welches eine ganze Zahl im Bereich von 2048 bis 4097 ist, so dass F_PLL innerhalb des Bereichs von 87.5 MHz bis 175 MHz ist. Das Taktsignal F_PLL wird auch zu der Teilerschaltung 38 (siehe 2) zugeführt, wo es durch irgendeinen programmierten der folgenden ganzzahligen Parameter geteilt wird, die aus dem Programmiernetz 42 ausgelesen werden: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 oder 256, und dann als Frequenz F_out durch den Multiplexer 40 und den Ausgangspuffer 44 ausgegeben wird.
Der Phasendetektor 54, die Ladepumpe 56, das Schleifenfilter 60 und der VCO 58 sollen eine breite Kategorie von Schaltungen darstellen, die zum Phasenverriegeln von zwei Eingangssignalen verwendet werden, welche im Stand der Technik wohlbekannt sind und nicht weiter beschrieben werden.
Allgemein erfüllen die Ausgangsfrequenz F_PLL und F_ref die folgende Gleichung: FPLL = Fref (P/Q).
Somit ist F_PLL ein Vielfaches der Schleifenfrequenz bzw. Kreisfrequenz. Demgemäß kann für relativ niedrige Kreisfrequenzen F_PLL in kleinen Inkrementen der Kreisfrequenz feineingestellt werden. Wenn die Kreisfrequenz zu niedrig ist, kann der Phasenregelkreis instabil werden, was in einem Jitter bzw. einer Schwankung resultiert. Somit ist bestimmt worden, dass ein optimaler Kreisfrequenzbereich 32 kHz bis 50 kHz ist, mit einem bevorzugten Bereich von 42.395 kHz bis 43.059 kHz. Kreisfrequenzen oberhalb dieses Bereichs, die aber kleiner als 200 kHz sind, können auch mit einer Ausgangsfrequenzauflösung verwendet werden, die besser als diejenige ist, die durch einen herkömmlichen Kristalloszillator PLL erhältlich ist.
Herkömmliche Kristalloszillator-Phasenregelkreise, die bei digitalen Schaltkreis-Zeitgabeanwendungen verwendet werden, arbeiten jedoch bei einer signifikant höheren Kreisfrequenz, d. h. größer als 200 kHz. Bei diesen Frequenzen können solche herkömmlichen Kristalloszillatoren nicht dieselbe hohe Frequenzauflösung erreichen, die mit der vorliegenden Erfindung erhältlich ist. Typischerweise sind beispielsweise Polysiliziumkondensatoren und andere Bauteile mit niedrigem Rauschen in den Phasenregelkreis eingebaut, der typischerweise bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, so dass er mit einer Kreisfrequenz innerhalb des bevorzugten Bereichs von 42.395 kHz bis 43.059 kHz mit relativ kleiner Schwankung bzw. kleinem Jitter arbeiten kann.
Die Parameter P, Q und N allein können unzureichend zum Erreichen einer Ausgangsfrequenz sein, die ausreichend nahe innerhalb von z. B. 100 Teilen pro Million (100 ppm) einer spezifizierten Zielfrequenz ist. In diesem Fall wird die Kristall-Quellenfrequenz gezogen, wie es oben diskutiert ist, um die resultierende Ausgangsfrequenz in einen akzeptablen Genauigkeitsbereich zu bringen.
Somit kann der programmierbare Kristalloszillator gemäß der vorliegenden Erfindung zum Erzeugen einer Ausgangsfrequenz basierend auf einem weiten Bereich von Kristall-Quellenfrequenzen verwendet werden. Die Ausgangsfrequenz wird durch Einstellen der Quellenfrequenz mit einer programmierbaren kapazitiven Last und durch Betreiben des Phasenregelkreises bei einer relativ niedrigen Kreisfrequenz erhalten. Als Ergebnis kann für jeden Kristall mit einer Quellenfrequenz innerhalb des relativ weiten Bereichs von z. B. 5.6396 MHz bis 27.3010 MHz Kristalloszillatorausgangsfrequenzen innerhalb von 100 ppm oder darunter einer spezifizierten Zielfrequenz durch einfaches Speichern von geeigneten P, Q, N und durch Kristallziehen von Parametern in einem PROM, der im Programmiernetz 42 enthalten ist, erreicht werden. Kristalloszillatoren 20 können als generische programmierbare Kristalloszillatoren hergestellt werden, und zwar ungeachtet von kundenspezifizierten Ausgangsfrequenzen, und in wenigen Sekunden auf einfache Weise programmiert werden, um Ausgangsfrequenzen gemäß Kundenspezifikationen zu erzeugen. Folglich gibt es keine Notwendigkeit zum Herstellen der Kristalle für eine Vielzahl von Standardfrequenzen, wodurch der Herstellungsprozess vereinfacht, beschleunigt und bezüglich der Kosten reduziert wird. Führungszeiten ab einem Kundenkaufauftrag bis zur Produktlieferung können somit drastisch reduziert werden.
Während die vorliegende Erfindung in Zusammenhang mit einem Verwenden eines unbearbeiteten Kristalls von einem standardmäßigen Mikroprozessortyp beschrieben worden ist, der im Bereich von 5.6396 MHz bis 27.3010 MHz oszilliert, wie es oben angegeben ist, wird es verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung unter Verwendung eines Industriestandard-Uhrenkristalls erreicht werden kann, der in der Masse hergestellt wird, um bei 32.768 kHz zu oszillieren. In diesem Fall kann die erwünschte niedrige Phasenregelkreisfrequenz ohne die Notwendigkeit eines Frequenzteiler 52 im Frequenzvervielfacher 36 der 4 erreicht werden. Ein unbearbeiteter Kristall 30 würde dann in der Auswirkung in einer direkten Antriebsbeziehung mit dem Phasenregelkreis gekoppelt sein. Da Uhrenkristalle mittels der Massenproduktion signifikant weniger teuer als Kristalle vom Mikroprozessortyp sind, können weitere Wirtschaftlichkeiten bei der Produktion von programmierbaren Kristalloszillatoren gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht werden.

Claims

Programmierbare Phasenregelschleifen- und Oszillatorabstimmschaltung, umfassend: eine Oszillatorschaltung (34); eine programmierbare Kondensatorladeschaltung (46; 48), die an die Oszillatorschaltung gekoppelt ist; eine Phasenregelschleifen-Schaltung (52, 54, 56, 58, 60, 64), die an die Oszillatorschaltung gekoppelt ist; und einen programmierbaren Lesespeicher (50), der betriebsmäßig mit der programmierbaren Kondensatorladeschaltung und der Phasenregelschleifen-Schaltung verbunden ist, wobei der programmierbare Lesespeicher (50) einen Kondensatorladewert, der verwendet wird, um die Kapazität der Kondensatorladeschaltung selektiv einzustellen, einen Rückkopplungswert für die Phasenregelschleifen (P) und einen Referenzwert für die Phasenregelschleife (Q) speichert, und wobei die programmierbare Kondensatorladeschaltung und die Phasenregelschleifen-Schaltung ausgelegt sind, eine Referenzfrequenz zum Erzeugen einer festen Ausgangsfrequenz nach einem Programmieren des programmierbaren Lesespeichers zu modifizieren.
Programmierbare Phasenregelschleifen- und Oszillatorabstimmschaltung nach Anspruch 1, wobei die programmierbare Kondensatorladeschaltung umfasst: eine Mehrzahl von Kondensatoren (77₁ , ..., 77_n , 87, ..., 87_n ), die ausgelegt sind, selektiv an einen Eingang der Oszillatorschaltung gekoppelt zu werden.
Programmierbare Phasenregelschleifen- und Oszillatorabstimmschaltung nach Anspruch 2, wobei die programmierbare Kondensatorladeschaltung weiter ein oder mehrere Schaltelemente (78₁ , ..., 78_n , 88₁ , ..., 88_n ) umfasst, wobei jedes Schaltelement zum selektiven Koppeln eines jeweiligen der Mehrzahl von Kondensatoren an den Eingang der Oszillatorschaltung ausgelegt ist.
Programmierbare Phasenregelschleifen- und Oszillatorabstimmschaltung nach Anspruch 3, wobei der Kondensatorladewert eine Information einschließt, um ein oder mehrere der Mehrzahl von Schaltelementen zum Verbinden jeweiliger der Kondensatoren mit dem Eingang der Oszillatorschaltung auszuwählen.