一種適用於多種頻率晶體的晶振起振電路的製作方法

2023-09-20 14:22:10 1

專利名稱：一種適用於多種頻率晶體的晶振起振電路的製作方法
技術領域：
本發明用於集成電路設計領域，具體涉及一種適用於多種頻率晶體的晶振起振電路。
背景技術：
石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應製成的一種諧振器件，由於石英晶體具有非常高的品質因數，因此石英晶體振蕩器能夠產生頻率準確而穩定的振蕩波形，而廣泛用於對振蕩頻率要求較高的鐘表、軍工、通信等領域。
如圖1所示，是一種較為典型皮爾斯晶體振蕩電路，圖中電容器Cl，C2與石英晶體一起構成選頻網絡，Ml和M2構成反相器作為放大電路，反饋電阻Rf為放大器提供直流偏置。當振蕩器電路滿足小信號的起振條件，在電源上電的時候，由於電路中的噪聲幹擾作用，即開始有瞬變電流的產生，這個瞬變電流所包含的頻帶極寬，但是由於選頻迴路的選頻作用，它只選擇了本身諧振頻率的信號，由於正反饋的作用，導致諧振頻率信號越來越強，從而產生振蕩輸出。
由於這種電路結構中反相器所提供的負阻是一個相對固定值，根據巴克豪森準則，該電路只能實現單一頻率的晶體或者單一頻率晶體附近較小頻率範圍的晶體起振，而無法實現當外界接入晶體的頻率從KHz級到MHz級都可以正常工作。因此，傳統的晶振電路結構在應用的靈活性方面存在著一定的局限性。

發明內容
本發明是針對傳統晶振電路無法實現多種頻率晶體起振的問題，提出了一種可以實現晶體頻率從KHz級到MHz級都可以正常工作的晶振起振電路，本發明的主要特點在於:
1.在典型的皮爾斯晶振電路基礎上增加了由計數器控制的η位可編程電流源，通過改變電流源電流的大小，進而改變基本振蕩電路中反向放大器的增益，實現從頻率從KHz級到MHz級的晶體都可以正常工作；
2.峰值檢測電路通過檢測基本振蕩電路輸出信號的峰值來控制計數器，進而由計數器固定可編程電流源的電流大小，保證了基本振蕩電路在正常起振的情況下功耗最優化；
3.電流源較好的保護了電源線與放大電路的分離，有效防止了由於電源抖動而對放大器工作造成的不穩定；


圖1典型皮爾斯晶體振蕩器電路結構；
圖2本發明提出的晶體振蕩器電路結構；
具體實施例方式以下結合附圖，詳細說明發明公開的一種適用於多種頻率晶體的晶振起振電路結構和工作過程。
在本發明的實施例中，如圖2所示，當電源上電後，計數器開始從O計數，η位可編程電流源的電流控制位均為O時電流最小並隨著計數器的向上計數電流增大。隨著計數器的持續計數，由計數器η位輸出控制可編程電流源的電流輸出增大，可編程電流源的電流會鏡像到基本振蕩電路反相放大器的電流源中，從而改變反相放大器的跨倒，進而改變增益。通常情況下，低頻晶體較難起振，因此需要反相放大器提供較大的增益。當反相放大器的增益滿足晶體的起振條件後，晶體正常工作並產生振蕩輸出信號，振蕩輸出信號一方面經過輸出驅動電路整形連接到OUT端，另一方面振蕩輸出信號作為輸入接到峰值檢測電路，若振蕩器的輸出信號達到預定峰值後，峰值檢測的輸出便會使計數器停止工作，此時計數器η位輸出控制碼是一個定值，可編程電流源的電流相對固定不再增加，那麼，該電流大小在保證晶體正常工作的前提下，實現了功耗的最優化。由於晶振輸出信號，從起振到達到預定電壓擺幅需要一定的時間，因此可以將計數器的計數間隔時間設定相對較長，以保證基本振蕩電路的輸出信號充分放大，更準確的反映到峰值檢測電路中。
在基本振蕩電路中，電流源Ib可以為基本振蕩電路提供穩定的電流，較好的保護了電源線與基本晶振電路的分離，有效防止由於電源(VDD)抖動而造成放大器工作不穩定。石英晶體Crystal和電容Cl、電容C2均是位於片外的分立元件構成了振蕩器的三點式選頻網絡，並通過隔直電容C3連接到了 NMOS管NI的柵極，隔直電容C3 —方面可以起到濾波作用，使晶振輸出信號電流變得平滑，振蕩更加穩定，另一方面電容C3與電阻Rf構成了一個高通濾波器，對輸入信號的幅度有一定的衰減，可以降低反向放大器工作功耗。當晶體振蕩時，NMOS管NI可認為是一個負阻，用以補償選頻網絡所消耗的能量以維持振蕩。反向放大器的輸出通過一個片內電阻Rs再連接到片外晶體的輸出端，該電阻主要作為一個靜電放電保護電阻，對振蕩器起到一個良好的限流作用，既降低了功耗，也可以防止晶體因過驅動而損壞。
通過以上說明，在本發明中可編程電流源的引入可以更加靈活的改變基本振蕩電路中方向放大器的跨倒和增益，實現了該晶振電路可適用於多種頻率的晶體，且該電路採用標準CMOS工藝，更易於集成；同時，峰值檢測電路保證了晶振電路在正常工作的前提下，實現了功耗最優化。
權利要求
1.一種適用於多種頻率晶體的晶振起振電路，包括計數器、可編程電流源、基本振蕩電路、峰值檢測電路和輸出驅動電路，其特徵在於，計數器的1、2...η-1、η位輸出端分別接到可編程電流源的輸入端，可編程電流源的輸出端作為電流控制端接到基本振蕩電路電流源Ib的輸入端，基本振蕩電路的輸出端接到輸出驅動電路的輸入端，輸出驅動電路的輸出端接OUT，基本振蕩電路的輸出端還作為峰值檢測電路的輸入端,峰值檢測電路的輸出端接到計數器的輸入端。
2.根據權利要求1所述的基本振蕩電路，其特徵在於，電流源Ib—端接電源VDD，另一端接NMOS管NI的漏極同時接到電阻Rf的一端，還接到電阻Rs的一端，電阻Rf的另一端接NMOS管NI的柵極同時接隔直電容C3的一端，還接到鏡像放大部分NMOS管N2的柵極，NMOS管NI的源極接地，所述隔直電容C3的另一端接到電容Cl的一端同時接到晶體Crystal的輸入端，所述的電阻Rs的另一端接到電容C2的一端同時接到晶體Crystal的輸出端，所述電容Cl和電容C2的另一端都接到地。
全文摘要
本發明公開了一種適用於多種頻率晶體的晶振起振電路。相對於傳統的皮爾斯晶振電路，本發明主要進行了以下改進第一，採用CMOS工藝，在現有的皮爾斯晶振電路的基礎上增加了由二進位控制碼控制的可編程電流源，使得反相放大器的增益可控，從而保證不同頻率的晶體都可以振蕩；第二，增加了峰值檢測電路，通過檢測晶振電路輸出信號的峰值，使晶振電路工作在一個較低的功耗範圍內。本發明具有可實現多種頻率晶體起振，功耗低，便於集成的優點。
文檔編號H03H9/19GK103117725SQ20121045093
公開日2013年5月22日 申請日期2012年11月13日 優先權日2012年11月13日
發明者王志鵬 申請人:長沙景嘉微電子股份有限公司