一種低功耗、低抖動、寬工作範圍的晶體振蕩器電路的製作方法

2023-10-08 07:54:54 2

一種低功耗、低抖動、寬工作範圍的晶體振蕩器電路的製作方法
【專利摘要】本發明披露一種晶體振蕩器電路。該電路包括：晶體諧振器電路，產生振蕩信號；反相放大電路，第一放大器輸入端耦合以接收振蕩信號；其中，反相放大器輸出反相放大輸出信號；偏置電路，具有偏置電路輸入端和偏置電路輸出端，偏置電路輸出端產生由偏置電路輸入端控制的偏置電路輸出信號，並且偏置電路輸出信號耦合到第二放大器輸入端；峰值檢測電路，比較反相放大輸出信號和一個參考信號並且調節峰值檢測器輸出信號，並且將峰值檢測器輸出信號送入偏置電路的輸入端；其中，所述偏置電路包括自調整電路，用於隔離電源和反相放大器的第二輸入端。在一個實施例中，自調整器隔離了電源噪聲，因此，晶體振蕩器電路有著非常良好的電源噪聲抑制能力。
【專利說明】一種低功耗、低抖動、寬工作範圍的晶體振蕩器電路

【技術領域】
[0001] 本發明涉及晶體振蕩器，具體地說涉及具有峰值檢測器幅度控制的晶體振蕩器， 以適應較寬的動態頻率範圍和較寬的晶體指標範圍。

【背景技術】
[0002] 振蕩器是現代電子設備性能至關重要的部件。數字時計、計算機、攝像機、電視、手 機、平板電腦、通信設備等均使用晶體振蕩器產生所需時鐘信號。
[0003] 圖1示意了一種常規的晶體振蕩器電路。該振蕩器電路包括由PMOS電晶體M2、電 阻R13和NMOS電晶體Ml構成的反相放大器部分和由例如石英晶體、電容Cp、電阻Re等構 成的反饋網絡。反饋網絡向反相放大器的輸入端輸出反饋信號，由此構成一個閉環反饋系 統。
[0004] 圖2示意了一種具有峰值檢測器的振蕩器電路。該振蕩器電路包括一個峰值檢測 器，用於比較振蕩器的輸出信號的峰值和參考電壓。當振蕩器電路啟動時，振蕩器的輸出信 號的幅值較低，峰值檢測器輸出較高的電壓信號，該電壓信號將電晶體M12導通，並且通過 Mll和M3構成的電流鏡電路向反相放大器部分施加較大的偏置電流，促進振蕩器的工作。 當振蕩器電路較為穩定時，峰值檢測器檢測到變高的振蕩器輸出電壓信號，從而施加較小 的偏置電流，使得穩定後的振蕩器輸出電壓維持在較低的水平。該電路具有快速啟動以及 避免在穩定後消耗過多能量的優點。但是，該電路存在著噪聲大和抖動大的缺點。


【發明內容】

[0005] 本發明提供一種晶體振蕩器電路，包括：晶體諧振器電路，廣生有預定振蕩頻率的 振蕩信號；反相放大器，具有第一放大器輸入端，第二放大器輸入端和反相放大器輸出端， 第一放大器輸入端耦合到振蕩器並且接收振蕩信號；其中，反相放大器輸出反相放大輸出 信號；偏置電路，具有偏置電路輸入端和偏置電路輸出端，偏置電路輸出端產生由偏置電路 輸入端控制的偏置電路輸出信號，並且偏置電路輸出信號耦合到第二放大器輸入端；峰值 檢測器，比較反相放大輸出信號和一個參考信號並且調節峰值檢測器輸出信號，並且將峰 值檢測器輸出信號送入偏置電路的輸入端；其中所述偏置電路包括自調整電路，用於隔離 電源和反相放大器的第二輸入端。
[0006] 優選地，峰值檢測器包括第一電阻和第一電容構成的低通濾波器。
[0007] 優選地，反相放大器電路包括第一NMOS電晶體，第二PMOS電晶體和第二電阻，其 中第一NMOS電晶體的柵極、第二PMOS電晶體的柵極和第二電阻的一端連接在反相放大器 電路的輸出端，第一NMOS電晶體的漏極、第二PMOS電晶體的源極和第二電阻的另一端相 連，第二PMOS電晶體的漏極連接在反相放大器的第二輸入端；第一NMOS電晶體的源極接 地。
[0008] 優選地，第二電阻由NMOS電晶體構成。
[0009] 優選地，偏置電路包括第12NM0S電晶體、第一電流源和第二電流源，第12NM0S晶 體管的柵極連接在偏置電路的輸入端，第12NM0S電晶體的漏極連接在第一電流源的第一 支路上，第一電流源的第二支路連接在第二電流源的第一支路上，第二電流源的第二支路 連接到偏置電路的輸出端。
[0010] 優選地，第一電流源和/或第二電流源由電晶體構成。
[0011] 優選地，第二電流源的第一支路是第二電流鏡的第二支路的鏡像，由此構成自調 整電路。
[0012] 優選地，偏置電路包括連接在偏置電路輸入端和輸出端之間的窄帶濾波器，在低 于振蕩器振蕩頻率的第一頻率下進行低通濾波；偏置電路還包括頻率檢測器，在振蕩器頻 率未達穩定的時候旁路開關電容濾波器。優選地，窄帶濾波器採用開關電容濾波器。進一 步優選地，晶體振蕩器電路包括第三電阻和第三電容組成的低通濾波器。
[0013] 優選地，晶體振蕩器電路包括分頻器，產生所述低于振蕩器振蕩頻率的第一頻率。
[0014] 在上述實施例中，自調整器隔離了電源噪聲，因此，晶體振蕩器電路有著非常良好 的電源噪聲抑制能力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1示意了一種常規的晶體振蕩器電路；
[0016] 圖2示意了一種具有峰值檢測器的振蕩器電路；
[0017] 圖3示意了根據本發明實施例的晶體振蕩器電路；
[0018] 圖4是本發明又一實施例的晶體振蕩器電路不意圖；
[0019] 圖5示意了一種開關電容濾波器40的結構示意圖；
[0020] 圖6 (a)和圖6 (b)示意了晶體振蕩器的模擬結果。

【具體實施方式】
[0021] 下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
[0022] 圖3示意了根據本發明實施例的晶體振蕩器電路。如圖3所示，晶體振蕩器電路 包括反相放大電路310,晶體諧振器電路320、峰值檢測電路330、偏置電路340。偏置電路 還包括自調整電路350。
[0023] 反相放大電路310包括PMOS電晶體M2,NMOS電晶體Ml和NMOS電晶體M13。Ml 的漏極、M2的源極、和M13的漏極連接在一起，構成反相放大電路310的第一輸入端，用於接 收振蕩信號；Ml的柵極、M2的柵極、和M13的源極連接在一起，構成反相放大電路310的輸 出端，用於輸出反相放大輸出信號；M2的漏極構成反相放大電路300的第二輸入端，它接收 偏置電路340的輸出偏置電流。當然，本領域的技術人員意識到，上述反相放大電路310的 結構僅屬舉例，其它的替代性的反相放大電路也可以使用，而不偏離本發明的精神和範疇。 例如，M13可以用一個具有規定阻值的電阻代替；又例如，Ml和M2可以由一個電晶體替代。
[0024] 晶體諧振器電路320包括晶體30,可以採用各種類型的晶體。晶體30的一端經電 阻Rel連接在反相放大電路310的輸出端，另一端經與電阻Rel同等阻值的電阻Re2連接 在反相放大電路310的第一輸入端。電容CpU電容Cp2分別連接在晶體30的兩端和地之 間。晶體諧振器電路產生有預定振蕩頻率的振蕩信號。
[0025] 峰值檢測電路330對振蕩器電路的輸出電壓和基準電壓Vref進行比較，比較後的 信號送往偏置電路340。在一個例子中，峰值檢測電路330包括一個電阻Rl和Cl構成的低 通濾波器，Cl的取值一般在幾個pF，Rl的取值一般在幾K歐姆到幾十K歐姆這個量級。低 通濾波器濾除比較後信號中的高頻部分。
[0026] 偏置電路340包括NMOS電晶體M12，M12的柵極起著偏置電路輸入端的作用，接收 峰值檢測器320輸出的比較後的信號；在該信號的控制下，M12在漏極輸出和該信號對應幅 度的電流信號。偏置電路部分340還包括由PMOS電晶體Mll和M7構成的第一電流鏡，Mll 所在支路連接在M12的漏極上。Ml1所在支路的電流以相同或者等比例的電流複製到M7所 在支路。偏置電路部分340還包括NMOS電晶體M8與NMOS電晶體M3構成的第二電流鏡， 電晶體M8的源漏極連接在M7所在支路，M3的漏極連接在電源VDD上並且其源極連接在反 相放大器部分的第二輸入端(在本例中，M2的漏極）上。由此，偏置電路部分340將來自峰 值檢測器部分330的比較後的信號轉換為偏置電流，注入反相放大器部分310的第二輸入 端。
[0027] 自調整電路350包括NMOS電晶體M8和M3、MlO和PMOS管M9。M8和M3構成電 流鏡。NMOS管M9和MlO位於該電流鏡上M8所在支路上，並且複製位於另一支路上的NMOS 管Ml和M2,由此使得M8和M3的源極直流電壓保持相等，不易受電源電壓波動的幹擾。當 然，本領域的技術人員意識到，第二電流鏡的二個支路的電晶體數和類型是可以變化的，只 要確保M8和M3的源極直流電壓保持相等，由此構成自調整電路。
[0028] 工作中，初始時峰值檢測器部分330通過偏置電路340向反相放大器310的第二 輸入端注入電流，由此晶體振蕩器開始工作。初始時的偏置電流必須足夠大，使得反相放大 器310的增益足以克服晶體30所引入的損失。偏置電路340所產生的偏置電流導致在晶 體管Ml的柵極（即反相放大器310的輸出端）產生一個反相的放大的振蕩信號。峰值檢測 器部分330比較反相的放大的振蕩信號和參考信號，隨著振蕩信號的幅度的增大，峰值檢 測器部分330將促使偏置電路部分340的偏置電流降低，最終將振蕩信號的幅度穩定在所 需要的水平。
[0029] 在上述實施例中，自調整器隔離了電源噪聲，因此，晶體振蕩器電路有著非常良好 的電源噪聲抑制能力。
[0030] 偏置電路340在第一電流鏡中還可以包括第三支路，該支路包括PMOS電晶體M4 和NMOS電晶體M5和M6。M5和M6的作用在於調節反相放大器電路310中M13的柵極電壓， 從而調整M13所呈現的阻值。
[0031] 需要指出，在圖3中，M13起直流平衡電阻的作用，其柵電壓用於實現阻值R。
[0032]R=I/β(Vgs-Vth)
[0033] 這裡，β=μCJV/L，W/L是Μ13的尺寸。可以看到，Vgs和電流鏡Μ5-Μ13以及Μ4-Μ11 有關，而電流鏡則由峰值檢測器的輸出電流（IO)控制。Io和Vgs的關係遵循

【權利要求】
1. 一種晶體振蕩器電路，包括： 晶體諧振器電路，產生有預定振蕩頻率的振蕩信號； 反相放大電路，具有第一放大器輸入端，第二放大器輸入端和反相放大器輸出端，第 一放大器輸入端f禹合到振蕩器並且接收振蕩信號；其中，反相放大器輸出反相放大輸出信 號； 偏置電路，具有偏置電路輸入端和偏置電路輸出端，偏置電路輸出端產生由偏置電路 輸入端控制的偏置電路輸出信號，並且偏置電路輸出信號f禹合到第二放大器輸入端； 峰值檢測電路，比較反相放大輸出信號和一個參考信號並且調節峰值檢測器輸出信 號，並且將峰值檢測器輸出信號送入偏置電路的輸入端； 其中，所述偏置電路包括自調整電路，用於隔離電源和反相放大器的第二輸入端。
2. 如權利要求1所述的晶體振蕩器電路，其中峰值檢測電路包括第一電阻（R1)和第一 電容（C1)構成的低通濾波器。
3. 如權利要求1所述的晶體振蕩器電路，其中反相放大電路包括第一 NMOS電晶體 (M1)，第二PMOS電晶體（M2)和第二電阻(M13)，其中第一 NMOS電晶體的柵極、第二PMOS晶 體管的柵極和第二電阻的一端連接在反相放大器電路的輸出端，第一 NMOS電晶體的漏極、 第二PMOS電晶體的源極和第二電阻的另一端相連，第二PMOS電晶體的漏極連接在反相放 大器的第二輸入端；第一 NMOS電晶體的源極接地。
4. 如權利要求3所述的晶體振蕩器電路，其中第二電阻由NMOS電晶體構成。
5. 如權利要求1所述的晶體振蕩器電路，其中偏置電路包括第12NM0S電晶體（M12)、 第一電流源（Mil和M7)和第二電流源（M8和M3)，第12NM0S電晶體的柵極連接在偏置電路 的輸入端，第12NM0S電晶體的漏極連接在第一電流源的第一支路(Mil)上，第一電流源的 第二支路(M7)連接在第二電流源的第一支路（M8)上，第二電流源的第二支路（M3)連接到 偏置電路的輸出端。
6. 如權利要求5所述的晶體振蕩器電路，其中第一電流源和/或第二電流源由電晶體 構成。
7. 如權利要求6所述的晶體振蕩器電路，其中第二電流源的第一支路是第二電流鏡的 第二支路的鏡像，由此構成自調整電路。
8. 如權利要求1所述的晶體振蕩器電路，其中偏置電路包括連接在偏置電路輸入端和 輸出端之間的窄帶濾波器，在低于振蕩器振蕩頻率的第一頻率下進行低通濾波；偏置電路 還包括頻率檢測器，在振蕩器頻率未達穩定的時候旁路開關電容濾波器。
9. 如權利要求1所述的晶體振蕩器電路，其中窄帶濾波器是開關電容濾波器。
10. 如權利要求8所述的晶體振蕩器電路，包括第三電阻（R2)和第三電容（C2)組成的 低通濾波器。
11. 如權利要求8所述的晶體振蕩器電路，包括分頻器，產生所述低于振蕩器振蕩頻率 的第一頻率。
【文檔編號】H03B5/30GK104426479SQ201310383027
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月29日 優先權日:2013年8月29日
【發明者】麥日鋒, 劉明 申請人:京微雅格（北京）科技有限公司