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CN104426479B - 一种低功耗、低抖动、宽工作范围的晶体振荡器电路 - Google Patents

一种低功耗、低抖动、宽工作范围的晶体振荡器电路 Download PDF

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Abstract

本发明披露一种晶体振荡器电路。该电路包括：晶体谐振器电路，产生振荡信号；反相放大电路，第一放大器输入端耦合以接收振荡信号；其中，反相放大器输出反相放大输出信号；偏置电路，具有偏置电路输入端和偏置电路输出端，偏置电路输出端产生由偏置电路输入端控制的偏置电路输出信号，并且偏置电路输出信号耦合到第二放大器输入端；峰值检测电路，比较反相放大输出信号和一个参考信号并且调节峰值检测器输出信号，并且将峰值检测器输出信号送入偏置电路的输入端；其中，所述偏置电路包括自调整电路，用于隔离电源和反相放大器的第二输入端。在一个实施例中，自调整器隔离了电源噪声，因此，晶体振荡器电路有着非常良好的电源噪声抑制能力。

Description

一种低功耗、低抖动、宽工作范围的晶体振荡器电路
技术领域
本发明涉及晶体振荡器，具体地说涉及具有峰值检测器幅度控制的晶体振荡器，以适应较宽的动态频率范围和较宽的晶体指标范围。
背景技术
振荡器是现代电子设备性能至关重要的部件。数字时计、计算机、摄像机、电视、手机、平板电脑、通信设备等均使用晶体振荡器产生所需时钟信号。
图1示意了一种常规的晶体振荡器电路。该振荡器电路包括由PMOS晶体管M2、电阻R13和NMOS晶体管M1构成的反相放大器部分和由例如石英晶体、电容Cp、电阻Re等构成的反馈网络。反馈网络向反相放大器的输入端输出反馈信号，由此构成一个闭环反馈系统。
图2示意了一种具有峰值检测器的振荡器电路。该振荡器电路包括一个峰值检测器，用于比较振荡器的输出信号的峰值和参考电压。当振荡器电路启动时，振荡器的输出信号的幅值较低，峰值检测器输出较高的电压信号，该电压信号将晶体管M12导通，并且通过M11和M3构成的电流镜电路向反相放大器部分施加较大的偏置电流，促进振荡器的工作。当振荡器电路较为稳定时，峰值检测器检测到变高的振荡器输出电压信号，从而施加较小的偏置电流，使得稳定后的振荡器输出电压维持在较低的水平。该电路具有快速启动以及避免在稳定后消耗过多能量的优点。但是，该电路存在着噪声大和抖动大的缺点。
发明内容
本发明提供一种晶体振荡器电路，包括：晶体谐振器电路，产生有预定振荡频率的振荡信号；反相放大器，具有第一放大器输入端，第二放大器输入端和反相放大器输出端，第一放大器输入端耦合到晶体谐振器电路并且接收振荡信号；其中，反相放大器输出反相放大输出信号；偏置电路，具有偏置电路输入端和偏置电路输出端，偏置电路输出端产生由偏置电路输入端控制的偏置电路输出信号，并且偏置电路输出信号耦合到第二放大器输入端；峰值检测器，比较反相放大输出信号和一个参考信号并且调节峰值检测器输出信号，并且将峰值检测器输出信号送入偏置电路的输入端；其中所述偏置电路包括自调整电路，用于隔离电源和反相放大器的第二输入端。
优选地，峰值检测器包括第一电阻和第一电容构成的低通滤波器。
优选地，反相放大器电路包括第一NMOS晶体管，第二PMOS晶体管和第二电阻，其中第一NMOS晶体管的栅极、第二PMOS晶体管的栅极和第二电阻的一端连接在反相放大器电路的输出端，第一NMOS晶体管的漏极、第二PMOS晶体管的源极和第二电阻的另一端相连，第二PMOS晶体管的漏极连接在反相放大器的第二输入端；第一NMOS晶体管的源极接地。
优选地，第二电阻由NMOS晶体管构成。
优选地，偏置电路包括：自调整电路；该自调整电路包括NMOS晶体管(M3)、NMOS晶体管M8、NMOS晶体管(M10)和PMOS晶体管(M9)，NMOS晶体管(M8)和NMOS晶体管(M3)构成第二电流镜；NMOS晶体管(M10)和PMOS晶体管(M9)复制NMOS晶体管(M1)和NMOS晶体管(M2)。
优选地，第一电流源和/或第二电流源由晶体管构成。
优选地，第二电流源的第一支路是第二电流镜的第二支路的镜像，由此构成自调整电路。
优选地，偏置电路包括连接在偏置电路输入端和输出端之间的窄带滤波器，在低于振荡器振荡频率的第一频率下进行低通滤波；偏置电路还包括频率检测器，在振荡器频率未达稳定的时候旁路开关电容滤波器。优选地，窄带滤波器采用开关电容滤波器。进一步优选地，晶体振荡器电路包括第三电阻和第三电容组成的低通滤波器。
优选地，晶体振荡器电路包括分频器，产生所述低于振荡器振荡频率的第一频率。
在上述实施例中，自调整器隔离了电源噪声，因此，晶体振荡器电路有着非常良好的电源噪声抑制能力。
附图说明
图1示意了一种常规的晶体振荡器电路；
图2示意了一种具有峰值检测器的振荡器电路；
图3示意了根据本发明实施例的晶体振荡器电路；
图4是本发明又一实施例的晶体振荡器电路示意图；
图5示意了一种开关电容滤波器40的结构示意图；
图6(a)和图6(b)示意了晶体振荡器的模拟结果。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图3示意了根据本发明实施例的晶体振荡器电路。如图3所示，晶体振荡器电路包括反相放大电路310，晶体谐振器电路320、峰值检测电路330、偏置电路340。偏置电路还包括自调整电路350。
反相放大电路310包括PMOS晶体管M2，NMOS晶体管M1和NMOS晶体管M13。M1的漏极、M2的源极、和M13的漏极连接在一起，构成反相放大电路310的第一输入端，用于接收振荡信号；M1的栅极、M2的栅极、和M13的源极连接在一起，构成反相放大电路310的输出端，用于输出反相放大输出信号；M2的漏极构成反相放大电路300的第二输入端，它接收偏置电路340的输出偏置电流。当然，本领域的技术人员意识到，上述反相放大电路310的结构仅属举例，其它的替代性的反相放大电路也可以使用，而不偏离本发明的精神和范畴。例如，M13可以用一个具有规定阻值的电阻代替；又例如，M1和M2可以由一个晶体管替代。
晶体谐振器电路320包括晶体30，可以采用各种类型的晶体。晶体30的一端经电阻Re1连接在反相放大电路310的输出端，另一端经与电阻Re1同等阻值的电阻Re2连接在反相放大电路310的第一输入端。电容Cp1、电容Cp2分别连接在晶体30的两端和地之间。晶体谐振器电路产生有预定振荡频率的振荡信号。
峰值检测电路330对振荡器电路的输出电压和基准电压Vref进行比较，比较后的信号送往偏置电路340。在一个例子中，峰值检测电路330包括一个电阻R1和C1构成的低通滤波器，C1的取值一般在几个pF，R1的取值一般在几K欧姆到几十K欧姆这个量级。低通滤波器滤除比较后信号中的高频部分。
偏置电路340包括NMOS晶体管M12，M12的栅极起着偏置电路输入端的作用，接收峰值检测器320输出的比较后的信号；在该信号的控制下，M12在漏极输出和该信号对应幅度的电流信号。偏置电路部分340还包括由PMOS晶体管M11和M7构成的第一电流镜，M11所在支路连接在M12的漏极上。M11所在支路的电流以相同或者等比例的电流复制到M7所在支路。偏置电路部分340还包括NMOS晶体管M8与NMOS晶体管M3构成的第二电流镜，晶体管M8的源漏极连接在M7所在支路，M3的漏极连接在电源VDD上并且其源极连接在反相放大器部分的第二输入端(在本例中，M2的漏极)上。由此，偏置电路部分340将来自峰值检测器部分330的比较后的信号转换为偏置电流，注入反相放大器部分310的第二输入端。
自调整电路350包括NMOS晶体管M8和M3、M10和PMOS管M9。M8和M3构成电流镜。NMOS管M9和M10位于该电流镜上M8所在支路上，并且复制位于另一支路上的NMOS管M1和M2，由此使得M8和M3的源极直流电压保持相等，不易受电源电压波动的干扰。当然，本领域的技术人员意识到，第二电流镜的二个支路的晶体管数和类型是可以变化的，只要确保M8和M3的源极直流电压保持相等，由此构成自调整电路。
工作中，初始时峰值检测器部分330通过偏置电路340向反相放大器310的第二输入端注入电流，由此晶体振荡器开始工作。初始时的偏置电流必须足够大，使得反相放大器310的增益足以克服晶体30所引入的损失。偏置电路340所产生的偏置电流导致在晶体管M1的栅极(即反相放大器310的输出端)产生一个反相的放大的振荡信号。峰值检测器部分330比较反相的放大的振荡信号和参考信号，随着振荡信号的幅度的增大，峰值检测器部分330将促使偏置电路部分340的偏置电流降低，最终将振荡信号的幅度稳定在所需要的水平。
在上述实施例中，自调整器隔离了电源噪声，因此，晶体振荡器电路有着非常良好的电源噪声抑制能力。
偏置电路340在第一电流镜中还可以包括第三支路，该支路包括PMOS晶体管M4和NMOS晶体管M5和M6。M5和M6的作用在于调节反相放大器电路310中M13的栅极电压，从而调整M13所呈现的阻值。
需要指出，在图3中，M13起直流平衡电阻的作用，其栅电压用于实现阻值R。
R＝1/β(Vgs-Vth)
这里，β＝μCoxW/L，W/L是M13的尺寸。可以看到，Vgs和电流镜M5-M13以及M4-M11有关，而电流镜则由峰值检测器的输出电流(I0)控制。Io和Vgs的关系遵循
这样，R将由Io控制。Fosc越低，Io越低，则R越大；Fosc越高，Io越高，则R越小。
图4是本发明又一实施例的晶体振荡器电路示意图。图4所示的晶体振荡器电路在图3的晶体振荡器电路的基础上增加了一个窄带滤波器。该滤波器位于偏置电路中，包括位于偏置的电路的输入端和输出端之间的开关电容LPF(低通滤波器)40，频率检测器42和N分频器44。
开关电容滤波器40和电阻R2串联连接在M8和M3的栅极之间。M3的栅极还通过电容C2接地。开关电容滤波器40在切换频率fc的控制下交替接通和断开电容，起低通滤波器的作用，它等效于阻值为1/fcCL的电阻，其中CL为开关电容的电容值。C2的取值一般在几个pF，R2的取值一般在几K欧姆到几十K欧姆这个量级。因此，开关电容滤波器40、R2和C2起低通滤波器的作用。
N分频器44将晶体振荡器的输出频率信号作N分频，N分频后的信号作为开关电容滤波器40的工作频率。
频率检测器42检测晶体振荡器的输出频率信号。当晶体振荡器进入到稳定状态，即检测到所需频率信号的时候，频率检测器42输出有效信号Fosc_ready，将开关46打开，从而使来自晶体管M8的电压信号通过开关电容滤波器40作用在晶体管M3的栅极上。
在振荡器启动时，开关电容滤波器40被旁路。频率检测器42用于在振荡器已经稳定就绪时使能开关电容滤波器40。如此，可以达成快速启动振荡和振荡稳定时低抖动的双重效果。
图5示意了一种开关电容滤波器40的结构示意图。假设开关电容滤波器40中，开关的开关频率由FoscN分频而来，即Fdiv＝Fosc/N。如果假设输入信号Vin的频率远小于Fdiv，则有
其中，T＝1/Fdiv。
开关电容滤波器的带宽f3dB＝C1/(2*π*T*C2)。
如果令C2＝1000C1，N＝1000，那么f3dB＝Fosc/(1000,000*2*π)。
在此情况下，开关电容滤波器带宽将是Fosc的百万分之一，这将足够低到将几乎所有来自Vin的噪声滤除。
上述窄带滤波器显著改进了抖动性能，这是因为来自调整器、峰值检测器、电流镜的所有噪音均被滤除，仅仅滤波器自身的噪声会限制振荡器的抖动水平。
在一个例子中，为了便于完全集成在芯片上，窄带滤波器由开关电容电路实现，其时钟来自振荡器电路的分频输出。本领域的技术人员意识到，可以采用其它类型的窄带滤波器，而不偏离本发明的范围。
图6(a)和图6(b)示意了晶体振荡器的模拟结果。从图6(a)可见，振荡电流i在启动阶段较大，达到3.5毫安，而在稳定阶段电流消耗为500微安(图6(b))。而自调整器的输出电压V(ckl)一直较为稳定。图6(b)是图6(a)的800微秒附近的电压电流波形的放大图，从该图可见，输出电压有比较一致的占空比和频率，并且电压的抖动很小。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种晶体振荡器电路，包括：
晶体谐振器电路，产生有预定振荡频率的振荡信号；
反相放大电路，具有第一放大器输入端，第二放大器输入端和反相放大器输出端，第一放大器输入端耦合到晶体谐振器电路并且接收振荡信号；其中，反相放大器输出反相放大输出信号；
偏置电路，具有偏置电路输入端和偏置电路输出端，偏置电路输出端产生由偏置电路输入端控制的偏置电路输出信号，并且偏置电路输出信号耦合到第二放大器输入端；
峰值检测电路，比较反相放大输出信号和一个参考信号并且调节峰值检测器输出信号，并且将峰值检测器输出信号送入偏置电路的输入端；
其中，所述偏置电路包括自调整电路，用于隔离电源和反相放大器的第二输入端；
其中偏置电路包括NMOS晶体管(M12)、第一电流镜(M11和M7)和第二电流镜(M8和M3)，NMOS晶体管(M12)的栅极连接在偏置电路的输入端，NMOS晶体管(M12)的漏极连接在第一电流镜的第一支路上，第一电流镜的第二支路连接在第二电流镜的第一支路上，第二电流镜的第二支路连接到偏置电路的输出端。
2.如权利要求1所述的晶体振荡器电路，其中峰值检测电路包括第一电阻(R1)和第一电容(C1)构成的低通滤波器。
3.如权利要求1所述的晶体振荡器电路，其中反相放大电路包括第一NMOS晶体管(M1)，第二PMOS晶体管(M2)和第二电阻(M13)，其中第一NMOS晶体管的栅极、第二PMOS晶体管的栅极和第二电阻的一端连接在反相放大器电路的输出端，第一NMOS晶体管的漏极、第二PMOS晶体管的源极和第二电阻的另一端相连，第二PMOS晶体管的漏极连接在反相放大器的第二输入端；第一NMOS晶体管的源极接地。
4.如权利要求3所述的晶体振荡器电路，其中第二电阻由NMOS晶体管构成。
5.如权利要求1所述的晶体振荡器电路，其中第一电流镜和/或第二电流镜由晶体管构成。
6.如权利要求5所述的晶体振荡器电路，其特征在于，所述偏置电路包括：自调整电路；所述自调整电路包括NMOS晶体管(M3)、NMOS晶体管M8、NMOS晶体管(M10)和PMOS晶体管(M9)，所述NMOS晶体管(M8)和NMOS晶体管(M3)构成第二电流镜；所述NMOS晶体管(M10)和所述PMOS晶体管(M9)复制NMOS晶体管(M1)和NMOS晶体管(M2)。
7.如权利要求1所述的晶体振荡器电路，其中偏置电路包括连接在偏置电路输入端和输出端之间的窄带滤波器，在低于振荡器振荡频率的第一频率下进行低通滤波；偏置电路还包括频率检测器，在振荡器频率未达稳定的时候旁路开关电容滤波器。
8.如权利要求7所述的晶体振荡器电路，其特征在于，所述窄带滤波器是开关电容滤波器。
9.如权利要求7所述的晶体振荡器电路，包括第三电阻(R2)和第三电容(C2)组成的低通滤波器。
10.如权利要求7所述的晶体振荡器电路，包括分频器，产生所述低于振荡器振荡频率的第一频率。
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