CN101552592B - Cmos电流自动控制晶体振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种CMOS电流自动控制Colpittis晶体振荡器，包括振荡电路、幅度检测电路、自动增益控制电路、电流源和电平检测单元；其中电流源为振荡电路提供偏置电流，振荡电路产生振荡信号，送到幅度检测电路进行幅度检测，检测的输出送到自动增益控制电路进行增益调节，调节后的输出反馈到电流源以调整偏置电流，偏置电流的增减改变振荡幅度，而幅度的改变经过检测和增益调节调整偏置电流；振荡电路的振荡信号还送到电平检测单元，电平检测单元的输出信号控制电流源和自动增益控制电路的开启和关断。本发明能够使振荡电路快速建立振荡，振荡产生后利用反馈回路快速调整偏置，使振荡电路稳定在维持振荡的最小电流状态。

Description

CMOS电流自动控制晶体振荡器

技术领域

本发明涉及一种CMOS工艺的电流自动控制Colpittis晶体振荡器。

背景技术

振荡器是众多电子产品的必要部分，而晶体振荡器凭借其高精度和高频率稳定度这一特点，在电子技术领域中占有重要的地位。尤其是信息技术(IT)产业的高速发展，更使晶体振荡器焕发出勃勃生机。晶体振荡器在通信系统、移动电话系统、全球定位系统(GPS)、导航、遥控、航空航天、高速计算机、精密计测仪器及消费类民用电子产品中，作为标准频率源或脉冲信号源，提供频率基准，是目前其它类型的振荡器所不能替代的。晶体振荡器是在没有外加输入信号的条件下，依靠晶体的压电特性、有源激励和无源电抗网络产生振荡。在CMOS工艺条件下，常用的振荡器形式有两种，Pierce振荡器和Colpittis振荡器，二者依据的都是三点式振荡原理，Pierce振荡器需要接晶体的两端，但是在许多电路应用中要求晶体单端连接，Colpittis振荡器就体现出了应用优势，而且Colpittis振荡器的谐波特性优于Pierce振荡器。然而在振荡建立方面，Colpittis振荡器相对于Pierce振荡器不容易起振，起振时间长，功耗也较大。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种CMOS电流自动控制Colpittis晶体振荡器，使CMOS振荡电路启动时由大电流驱动快速建立振荡，振荡产生后很快调整电流偏置，使振荡电路稳定在维持振荡的最小电流状态，有效缩短了起振时间，显著降低了电路功耗。

实现本发明目的的技术方案：

一种CMOS电流自动控制Colpittis晶体振荡器，其特征在于：包括振荡电路(1)、幅度检测电路(2)、自动增益控制电路(3)、电流源(4)和电平检测单元(5)；其中电流源(4)接振荡电路(1)，振荡电路(1)信号输出端接幅度检测电路(2)，幅度检测电路(2)信号输出端接自动增益控制电路(3)，自动增益控制电路(3)的反馈信号输出端接电流源(4)用以控制偏置电流；振荡电路(1)的信号输出端还接电平检测单元(5)，电平检测单元(5)的信号输出端接电流源(4)和自动增益控制电路(3)。

有益效果：

本发明通过采用幅度检测和自动增益控制的方法，调整电流源的偏置，从而保证CMOS振荡电路在电路启动的初始时刻依靠大电流的驱动快速可靠地建立振荡，振荡产生后利用反馈回路快速调整振荡电流，使振荡电路迅速稳定在维持振荡的最小电流状态，有效地提高了Colpittis晶体振荡器起振速度，显著地降低了功耗。

与未使用本发明的Colpittis晶体振荡电路相比，在相同振荡幅度的条件下本发明电路的起振时间缩短了1/2，电路功耗降低了1/2。而且由于在初始时刻的振荡偏置电流最大，因此起振的可靠性得到了有力保证。最显著的特点是在不同工作电压、不同晶体振荡频率和制造工艺偏差的条件下，电路功耗依据反馈回路自动调节成为维持振荡幅度的最小数值，极大程度地减小了电压变化等外界因素对功耗的影响，以此真正实现了低功耗的Colpittis晶体振荡电路。

附图说明

图1为本发明的电路结构框图；

图2为本发明的振荡和电平检测功能框图；

图3为本发明各模块的电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，电流源4接振荡电路1，为振荡电路提供偏置电流，振荡电路1信号输出端接幅度检测电路2，幅度检测电路2信号输出端接自动增益控制电路3，自动增益控制电路3的反馈信号输出端接电流源4用以控制偏置电流。

如图2所示，振荡电路1的信号输出端还接电平检测单元5，电平检测单元5的关断信号输出端接电流源4和自动增益控制电路3。

如图3所示，振荡电路由NMOS主振管M1与电阻R1、R2、R3组成；主振管M1栅极同时与电阻R3和幅度检测电路的信号输入端连接，主振管M1源极接振荡电容Co1、Co2和电平检测单元的信号输入端；振荡电容Co1、Co2串联后与晶体并联，电阻R1和R2串联在电源和地之间，串联点连接电阻R3。

幅度检测电路由NMOS管M3、电容C1、电阻R4组成，电容C1与电阻R4串联，串联点接NMOS管M3的栅极，电容C1接主振管M1的栅极。

自动增益控制电路由PMOS管M4、两个电容C2、C3和一个电阻R5组成，PMOS管M4的漏极接电容C2和电阻R5，PMOS管M4的漏极还与NMOS管M3的漏极相接，电阻R5和电容C3串接，电容C3接NMOS管M3的源极并且连接到地。

电平检测单元由两个PMOS管M5、M7、两个NMOS管M6、M8、一个反相器组成，PMOS管M5的源极与NMOS管M6的漏极并联，连接至主振管M1的源极，M5的漏极与M6的源极并联，连接至PMOS管M7、NMOS管M8的栅极；PMOS管M5的栅极与NMOS管M6的栅极相连，PMOS管M7的漏极和NMOS管M8的漏极相连，接至反相器INV的信号输入端。NMOS管M2为电流源中的NMOS管。

振荡电路由电流源提供电流偏置，与晶体和两个电容构成三点式振荡，产生增益，形成振荡信号。振荡信号Vosci经过幅度检测电路的检测后输出直流电平Vdiff，此电平包含了振荡幅度大小的信息。Vdiff送到自动增益控制电路进行增益判断，并调整输出信号，即反馈信号Vf，送回电流源，改变电流，调整振荡电路的偏置。由此，振荡电路的振荡在偏置电流和反馈电路的共同调整下达到稳定。

三点式振荡产生的另一个振荡信号Vosco与Vosci频率相同，相位相反。电平检测单元采用Vosco和振荡电路送出的参考电平Vref进行比较，输出判断电平Vpd，作为电流源和自动增益控制电路的使能关断信号。Vref是Vosci的偏置电平，Vosco的偏置电平比Vosci的偏置电平低一个栅源阈值电平Vt。因而，在使用晶体产生振荡时，Vosco的电平一定比Vref低，Vpd输出低电平，维持振荡电路和电流源工作。在使用外送振荡源时，置Vosco于电源电压，Vosco和Vref的比较输出电平Vpd为高电平，此时电流源和自动增益控制电路关断，保证振荡电路及所有反馈电路零功耗。

当电路通电时，因为无电平比较结果，所以Vpd的初始状态为低电平，PMOS管M4导通，电容C2被充电，电源电平引入到Vdiff点。由于NMOS管M3的栅极有电阻R4连接到地，因而在最初上电未建立振荡时，M3是关闭的。Vdiff点的电源电平因此由电阻R5引入到Vf点。NMOS管M9因Vpd为低电平而关闭，C3是个小电容，能够快速累计电荷，使Vf稳定，电流源NMOS管M2在栅极电压Vf的高偏置下迅速导通至饱和。振荡电路中的电阻R1和R2产生分压参考电平Vref，通过电阻R3提供给振荡NMOS管M1的栅极，R3的作用是隔离Vref和Vosci，因而R3通常会设定为一个大电阻。现在振荡管M1的栅极偏置存在，电流源M2已经建立电流，振荡电路于是与晶体和两个电容Co1、Co2形成三点式，迅速形成振荡，由于M2的偏置处于最高，产生的漏源电流为最大，流过M1的漏源电流也为最大，因而实现快速启动振荡。

振荡一旦建立，振荡信号通过电容C1和电阻R4被滤波采集到NMOS管M3的栅极，当C1交流耦合振荡的正幅度时，幅度超过M3的栅源阈值电平Vt使M3导通，一旦M3导通，电容C2上的电荷就开始释放，Vdiff和Vf电平开始下降，下降的快慢延时由电阻R5和电容C3决定。Vf电平的下降导致电流源NMOS管M2的漏源电流减小，振荡管M1的偏置电流减小，振荡幅度随之减小。当振荡幅度减小时，电容C1耦合至M3栅极的幅度也减小，令M3导通的过电压就减小，导通时间和电流都变小，电容C2的电荷放电减缓，Vdiff下降变慢。因而Vf的下降也变缓，直接的结果是电流源M2和振荡管M1的电流下降变慢，振荡幅度继续减小，但是减小幅度变小。如此反馈，振荡幅度和电流在一次次的反馈检测中进行调整，最终达到稳定平衡，即达到保持振荡的最小电流。如果初始的振荡幅度很大，电容C1耦合到M3的栅极幅度与阈值电平Vt之间的过电压很大，令M3导通时间和电流都很大，那么C2上的电荷被大量释放，Vdiff和Vf迅速下降，Vf下降到M2的栅源阈值电平Vt以下，不足以导通M2时，M2关断，给M1提供的偏置电流为零，振荡停止。当振荡停止时，电阻R4把M3的栅极电压拉为低电平，关闭M3，电容C2重新开始充电，Vdiff和Vf重新建立电平，重新开启电流源NMOS管M2，为M1提供偏置电流，振荡重新建立。

电平检测单元引入振荡信号Vosco进行电平判别。PMOS管M5和NMOS管M6形成一个传输门，由参考电平Vref驱动，传输门输出端接电容C4。当Vosco高过Vref时，PMOS管M5导通；当Vosco低过Vref时，NMOS管M6导通。传输门实现的是电阻功能，与输出端的电容C4共同对Vosco进行滤波。传输门输出端接到由一个PMOS管M7和一个NMOS管M8组成的反相器输入端，这个反相器的两个管子的栅源阈值电平与普通电平不同。PMOS管M7的栅源阈值电平设置得非常低，使得M7很容易导通；而NMOS管M8的栅源阈值电平设置得非常高，使M8很难导通，这样，反相器的阈值电平被提高，不易发生翻转。当振荡信号由晶体振荡电路产生时，由于Vosco的直流偏置比Vosci的直流偏置Vref低一个栅源阈值电平Vt，而且Vosco的振荡幅度与Vt相当，因而，反相器的输入电平通常较低，加上阈值电平较高，反相器输出定为高电平，加上后级的INV，Vpd始终保持在低电平，保证振荡电路持续工作。

而当振荡信号由外部信号源产生Vin并送到Vosci时，振荡电路中除电阻R1、R2和R3外，其他电路都要关断，目的是节省电路功耗和避免器件干扰。此时要把Vosco置为电源电压，反相器的输入电平接近高电平，导致反相器翻转，Vpd跳变为高电平，送入自动增益控制电路关断PMOS管M4，开启电流源中NMOS管M9，Vdiff和Vf被拉为低电平，电流源NMOS管M2关闭，电流通路关断，振荡偏置消失，振荡电路停止工作。

Claims (5)

1.一种CMOS电流自动控制晶体振荡器，其特征在于：

包括振荡电路(1)、幅度检测电路(2)、自动增益控制电路(3)、电流源(4)和电平检测单元(5)；

其中电流源(4)接振荡电路(1)，振荡电路(1)信号输出端接振荡信号幅度检测电路(2)，幅度检测电路(2)信号输出端接自动增益控制电路(3)，自动增益控制电路(3)的反馈信号输出端接电流源(4)用以控制偏置电流；

振荡电路(1)的信号输出端还接电平检测单元(5)，电平检测单元(5)的关断信号输出端接电流源(4)和自动增益控制电路(3) ;

振荡电路(1)由NMOS主振管M1与电阻R1、R2、R3组成；NMOS主振管M1栅极同时与电阻R3、振荡电容Co1和幅度检测电路(2)的信号输入端连接，NMOS主振管M1源极接振荡电容Co1、Co2、电流源(4)的输出端和电平检测单元(5)的信号输入端，NMOS主振管M1漏极接电源；振荡电容Co1、Co2串联后与晶体并联；振荡电容Co2与晶体的连接点连接到地；电阻R1和R2串联在电源和地之间，串联点连接电阻R3。

2.根据权利要求1所述的电流自动控制晶体振荡器，其特征在于：电流源(4)由NMOS管M2和M9组成；NMOS管M2的漏极接NMOS主振管M1的源极，NMOS管M9的漏极接NMOS管M2的栅极，同时连接到自动增益控制电路(3)的输出端。NMOS管M2和NMOS管M9的源极相连并且连接到地。

3.根据权利要求1所述的电流自动控制晶体振荡器，其特征在于：幅度检测电路(2)由NMOS管M3、电容C1、电阻R4组成，电容C1与电阻R4串联，串联点接NMOS管M3的栅极，电容C1接NMOS主振管M1的栅极，NMOS管M3的漏极为输出端，NMOS管M3的源极与电阻R4相连并连接到地。

4.根据权利要求1所述的电流自动控制晶体振荡器，其特征在于：自动增 益控制电路(3)由PMOS管M4、两个电容C2、C3和一个电阻R5组成，PMOS管M4的漏极接电容C2和电阻R5，PMOS管M4的漏极还与NMOS管M3的漏极相接，PMOS管M4的源极接电源，电阻R5和电容C3串接，串联点为输出端，电容C3接NMOS管M3的源极并且连接到地。

5.根据权利要求1所述的电流自动控制晶体振荡器，其特征在于：电平检测单元(5)由两个PMOS管M5、M7、两个NMOS管M6、M8、一个反相器组成，PMOS管M5的源极与NMOS管M6的漏极并联，连接至NMOS主振管M1的源极，PMOS管M5的漏极与NMOS管M6的源极并联，连接至PMOS管M7、NMOS管M8的栅极；PMOS管M5的栅极与NMOS管M6的栅极相连，PMOS管M7的漏极和NMOS管M8的漏极相连，接至反相器的输入端，反相器的输出端接电流源(4)的NMOS管M9和自动增益控制电路(3)的PMOS管M4的栅极。 

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