低頻晶振起振電路的製作方法
2023-05-13 13:27:26
專利名稱：低頻晶振起振電路的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種振蕩電路，屬於集成電路領域。應用於無線通訊設備、計算機、 數字儀器儀表等電子設備中，實現對低頻晶振的起振功能。
背景技術：
目前常用的CMOS晶振電路是如圖1所示的Pierce振蕩電路。電路中由M0和Ml構 成的CMOS反相器是該振蕩電路的增益元件，RO為反餓電阻。反相器的跨導(即對應的M0、 Ml管的寬長比)就是該電路中設計的主要問題。在開始起振時，電路工作在小信號模式下。圖2為圖1電路的小信號模型的等效電 路，圖中L、 C、 R、 Co為晶體的等效參數，跨導gm為反相器中P、 NMOS管的跨導之和。 對圖2電路進行分析計算可得到& 的計算公式，4formula see original document page 3從而可以計算出組成反相器的P、 N M0S管的寬長比。然而這樣的電路功耗較高，且 對於低頻起振較慢甚至不能起振。
發明內容針對於上述低頻晶振起振電路的缺點，本實用新型的目的在於解決這種低頻起振困 難的問題，並實現低功耗，能夠方便的集成在晶片內部，成為可復用的IP(智慧財產權核)。 本實用新型釆用如下的技術方案一種低頻晶振起振電路，包括由選頻電容C1、 C2、晶振X1構成的迴路，電源端接在 選頻電容C1、 C2之間，其特徵在於，晶振XI的一端與PM0S管M2的柵極相連，另一端 通過限流電阻R3分別與PM0S管Ml的源極和NM0S管M3的漏極相連，反饋電阻R2接在 PMOS管Ml的柵極和源極之間，PMOS管Ml的柵極與NMOS管M3的柵極之間接有電容C3， NM0S管M3的柵極還與NMOS管M4的柵極和NM0S管M7的槲極相連，電阻Rl 、電阻R4、 電阻R5、電阻R6分別接在PM0S管Ml、 NM0S管M3、 PM0S管M6、 NM0S管M7的源極上， NM0S管M4的源極與NMOS管M5的漏極相連，PMOS管Ml的柵極與PMOS管M6的柵極相連， PM0S管M6的源極與電源端之間接有電阻R5，PM0S管M6的源極與NM0S管M7的漏極相連， 其引出線作為低頻晶振起振電路的輸出端。本設計所採用的電路結構在基本的pierce晶體振蕩器的基礎上加以改進，通過巧妙 利用電容設計了一種變形的反相器結構，實現了低頻晶振快速起振的功能，並且具有很 低的功耗。可以集成在ASIC晶片內部。通過仿真結果可以看到電路可以達到很好的起振 效果且平均電流僅為2. 094uA。
圖1 Pierce振蕩電路；圖2為圖1電路的小信號模型的等效電路；圖3本實用新型的低頻晶振起振電路。
具體實施方式
下面首先介紹本實用新型提供的電路結構的設計思想。本實用新型首先將基本pierce振蕩電路中的三極體用M0S管代替，這是因為M0S管 的輸入阻抗很高，消耗的功率很小。並且它對反饋網絡的負載很小，所以幾乎不影響諧 振迴路的Q值，這樣使得振蕩器容易起振，同時提高了頻率穩定度。第二，本設計電路利用電容設計了一種變形的反相器結構，作為振蕩電路的增益級。 而利用電容兩端電壓受上下MOS管的限制變化幅度較小的原理實現了電路的快速起振。 本實用新型的電路結構如圖3所示。該電路結構的第一部分由M1、 M2、 M3、 Rl、 R2、 R3、 R4、 Cl、 C2、 C3及晶振X1、組 成，它們共同構成了基本的正弦波晶體振蕩器，其中M1、 M3、 C3為放大部分，設計為變形的反相器結構。此處反相器為並聯搌蕩器提供所自的180度翱移。^為放大網絡的 反饋電阻，它不但提供了負反餓，還將反相器偏置到線性工作區，並且約束了放大器的 增益。同時反饋電阻是由傳輸門構成的。由於起振後放大電路工作在大信號下，為了減 小負載效應和功耗，反饋電阻R2的阻值越大越好，在片內則用傳輸門實現比較方便。Cl、 C2與晶振X1依據皮爾斯振蕩電路的原理一起構成了選頻網絡。其中採用較大的電容值雖 然可以提高振蕩器的穩定性，但是會使流過晶體的充放電電流增大，同時增大電容值會 降低環路增益，延長振蕩器的起振時間。因此一般電容值取在10 30pF左右。同時保證 C2> Cl,因為這樣使得一上電，通過晶振的相移增大，從而可以加速振蕩器的起振。此 外，電阻R3有兩個作用， 一方面用於限流，以降低功耗，另一方面防止發生晶體過驅動 現象。晶體過驅動可能導致電路的振蕩頻率躍變到一個高次諧波上，甚至會損壞晶體。 檢驗晶體是否發生過驅動的方法可以觀察out節點，out節點不應出現限幅或出現畸變。 常用的CMOS晶體振蕩電路中採用普通的反相器作為放大元件，為電路提供增益。在 本設計中將Ml、 M3兩個管子的柵極分別接在電容C3的兩端，設C3兩端的節點分別為VI 和V2。由於電路中基本的振蕩結構使得V1處輸出正弦波，同時V1節點位於反相器的輸 入端，振蕩幅度比較小。電容C3的作用使V2節點也輸出具有一定相位差的正弦波，振 蕩電壓範圍與V1節點不同，V2節點的電壓比V1處的電壓值低了幾個電壓單位。通過電 路仿真可以看出，V1點的電壓大約在1.9V 2.4V之間變化，V2點電壓大約在0.4ro.9V之間變化。由於變化的幅度非常小，加快了反相器輸出從高到低，或從低到高的轉換速 率，從而實現了快速起振。同時R1、 R4分別接在兩個管子的源端，作為限流電阻，有效 地降低了這部分電路的功耗。電路的另一部分由電容C3與PM0S管M6、 NM0S管M7及電阻R5、 R6共同作用，將得 到的正弦波轉化為矩形脈衝。其中M6、 M7與電容C3組成反相器，偏置在非線性區域， 從而得到數字輸出的高低電平。
權利要求1. 一種低頻晶振起振電路，包括由選頻電容C1、 C2、晶振X1構成的迴路，電源端接在 選頻電容C1、C2之間，其特徵在於，晶振X1的一端與PM0S管M2的柵極相連，另一 端通過限流電阻R3分別與PMOS管Ml的源極和NMOS管M3的漏極相連，反饋電阻R2 接在PMOS管Ml的柵極和源極之間，PMOS管Ml的柵極與NM0S管M3的柵極之間接有 電容C3， NMOS管M3的柵極還與NMOS管M4的榭極和NMOS管M7的柵極相連，電阻 Rl、電阻R4、電阻R5、電阻R6分別接在PM0S管M1、 NM0S管M3、 PM0S管M6、 NMOS 管M7的源極上，NMOS管M4的源極與NMOS管M5的漏極相連，PM0S管Ml的柵極與 PM0S管M6的柵極相連，PM0S管M6的源極與電源端之間接有電阻R5， PMOS管M6的 源極與NM0S管M7的漏極相連，其引出線作為低頻晶振起振電路的輸出端。
專利摘要本實用新型涉及一種基於低頻晶振的起振電路，屬於集成電路領域。本實用新型首先將基本pierce振蕩電路中的三極體用MOS管代替；其次，本實用新型還利用電容設計了一種變形的反相器結構，作為振蕩電路的增益級，並利用電容兩端電壓受上下MOS管的限制變化幅度較小的原理實現了電路的快速起振。本實用新型提供的低頻起振電路，具有快速起振，低功耗，能夠方便的集成在晶片內部的優點。
文檔編號H03B5/18GK201039083SQ20072009597
公開日2008年3月19日 申請日期2007年5月9日 優先權日2007年5月9日
發明者姚素英, 徐江濤, 趙毅強, 煒 鄭, 霍莉莉 申請人:天津大學