CN101834561A

CN101834561A - 一种晶体振荡器电路结构

Info

Publication number: CN101834561A
Application number: CN201010142406A
Authority: CN
Inventors: 王加东; 李勇飞; 张达文; 吴本伟; 鲍清华; 喻昌远; 杨华
Original assignee: SHANGHAI FUKONG HUALONG MICROSYSTEM TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI FUKONG HUALONG MICROSYSTEM TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-04-08
Filing date: 2010-04-08
Publication date: 2010-09-15

Abstract

本发明公开了一种低电压、低功耗、高频晶体振荡电路结构，配合外接高频晶体，输出稳定的兆级别频率，所述电路单元包括启动单元、电流偏置单元、共模反馈单元、差分主体单元、输出驱动单元。所述启动单元为整体单元的启动电路，为差分主体单元、电流偏置单元的输入端；所述电流偏置电路为差分主体的输入端；所述共模反馈单元为差分主体单元输入端；所述差分主体单元既外接高频晶体，也为输出驱动单元的输入端。本发明采用差分结构，所消耗功耗极低，电源电压低且建立时间短。

Description

一种晶体振荡器电路结构

技术领域：

本发明涉及电子电路的晶体振荡器领域，特别涉及一种低电压、低功耗、高频晶体振荡电路结构。

背景技术：

由于电池电源供电的电子电路的广泛使用，电池寿命和电池功率是对电池电路性能具有典型的限制因素。而随着电池电源电路变得更加复杂，就需要更大的功率以及更长的延迟时间，因此对于仅需要很少功耗，而能够节约多数功耗为其他电路使用的晶体振荡器有日益增加的趋势。

对这样尽可能小并具有尽可能少的外部连接的电路也保持持续的需求，而在对集成电路中尽可能包含更多数量的电路元件需求也在增加。

此外，由于无线通讯系统变得普及，对便携式设备要求也变得普及，进而对低价高性能晶体振荡器产生了需求。

因此，需要在集成电路上占据极小面积并具有极可能少的外部连接的低功率晶体振荡器。还需要给出在集成电路上除了电源电压和地之外只需要一个外部连接的低功耗晶体振荡器。

发明内容：

鉴于上述技术问题和需求，本发明的目的是提供一种低电压、低功耗、高频晶体振荡电路结构。

解决上述发明目的的具体技术方案如下：

这种晶体振荡电路结构，包括：

一为整体电路提供启动信号的启动电路；

一通过正反馈来提供大于单位增益的环路增益的差分主体电路；

一用以限制信号输出摆幅以及间接控制整体电路功耗的共模反馈电路；

一用来提供直流低功耗电流的电流偏置电路；

一为外部使用电路提供高频信号时钟的输出驱动电路；

一电路谐振组件；

上述电路中，所述启动电路与差分主体电路和电流偏置电路连接；所述电流偏置电路还分别与差分主体电路和共模反馈电路连接；所述差分主体电路还分别与输出驱动电路和电路谐振组件连接。

上述方案中，所述启动电路包括与电源相连接的栅极NMOS管，以及与NMOS管漏极相连的反相器。

上述方案中，所述共模反馈电路由共源放大器以及跟随器组成的幅度限制电路和大的NMOS倒比管形成大阻抗器件的反馈组件组成。

上述方案中，所述共模反馈电路包括两个共模反馈NMOS管，以及两条共模反馈支路。

上述方案中，所述电流偏置电路包括镜像电流作用的PMOS管，偏压作用的NMOS管以及通过调节电阻阻值来控制电流大小的电阻网络。

上述方案中，所述电流偏置电路还包括栅极与共模反馈电路输出连接的NMOS管。

上述方案中，所述电路谐振组件与差分主体电路(输入/输出)相并联，由晶体振荡器和电容器构成。

根据上述本发明所公开的电路结构，在电源上电后，启动电路迅速给予差分主体电路临时工作电流，差分主体电路开始工作，结合谐振器部分，输出摆幅不断增大，由于幅度限制电路与呈大阻抗反馈组件组成的共模反馈电路作用，限制了不断增大的摆幅，直至摆幅达到新的平衡，输出摆幅被限制在150mV左右，与此同时，差分主体电路中起正负反馈作用的非线性管子作用，将输出共模电平下拉，另外由于偏置电路的NMOS管栅级与共模电平相接，则随着共模电平降低，偏置电路的电流也跟着降低，而偏置电路为整体电路提供偏置电流，因此减小了整体电路功耗。

另外，该电路中采用差分高频晶体振荡器的主要目的是为了实现高频晶体能够在低功耗情况下正常工作。频率范围为1MHz～13MHz的Pierce反相器型晶体振荡器电路功耗都在百微安以上，当采用本发明方案而实际测得的10MHz的差分型晶体振荡器电路功耗在10个uA左右。

另外，由于常用的Pierce反相器型工艺为CMOS 0.5um或者0.35um，因此电源电压为3V或者5V，而本发明方案的实现工艺采用了CMOS 0.18um，因此采用了1.8V的低电源电压，又因为电路的便置电路采用了PTAT，因此电源电压可低至1.3V。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1是本发明晶体振荡电路总体的结构框图。

图2是本发明晶体振荡电路中包含差分主体电路(单元)以及电路谐振组件的电路结构示意图。

图3a和图3b分别是本发明晶体振荡电路中电流偏置电路(单元)的两种不同的电路结构示意图。

图4a和图4b分别是本发明晶体振荡电路中共模反馈电路所包含的反馈组件(单元)的两种不同的电路结构示意图。

图5a、图5b和图5c分别是本发明晶体振荡电路中共模反馈电路所包含的幅度限制电路(单元)的三种不同的电路结构示意图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1所示，本发明所述的一种低电压、低功耗、高频晶体振荡电路结构，其配合外接高频晶体，输出稳定的兆级别频率。整个电路按功能划分成若干电路单元，包括启动单元、电流偏置单元、共模反馈单元(包括幅度限制电路和反馈组件)、差分主体单元、输出驱动单元以及谐振组件。

其中，所述启动单元为整体单元的启动电路，为差分主体单元、电流偏置单元的输入端；所述电流偏置电路为差分主体的输入端；所述共模反馈单元为差分主体单元输入端；所述差分主体单元既外接高频晶体，也为输出驱动单元的输入端。所述启动单元作为整体电路启动部分，与所述电流偏置单元、共模反馈单元、差分主体单元的相连接；所述电流偏置单元的输出端作为所述差分主体电路的第一输入端，与所述差分主体单元的电流镜像部分相连接；所述共模反馈单元的输出端作为所述差分主体电路的第二输入端；所述差分主体单元的输出端与晶体振荡器的输出端相连接；所述差分主体单元的输出端与晶体振荡器的输出端相连接；所述差分主体单元的输出端作为所述输出驱动单元的输入端。在具体工作过程中，通过将启动单元与差分主体单元、共模反馈单元、偏置电流单元分别对应连接；差分主体单元与并联谐振电路组件、输出驱动单元相连接；并通过调节偏置电流部分的电流，可以相应调节整体电路的功耗，占用芯片面积小，功耗极低。

下面列举各单元的具体电路结构以及特点。

参见图2，差分主体电路(单元)包括：电流镜像PMOS管(201、202)，跨接电容203，正反馈NMOS管(204、205)，以及负反馈NMOS管(206、207)。

在此实施过程中，电流偏置电路(单元)的端口(306或316)接差分主体单元的端口208，通过电流镜像PMOS管(201、202)为差分主体电路(单元)提供其能够需要工作的电流；MOS管(204、205)起正反馈作用，减小支路的阻抗；MOS管(204、205、206、207)选取合适的(W/L)，可以使得整体功耗变得很小，也是差分主体电路核心所在。

另外，差分主体单元的端口(209、210)与谐振晶体211、负载电容(212、213)相连接；差分主体单元的端口(209、210)与输出驱动单元相连接。

参见图3a，实施例一中的电流偏置电路(单元)包括：偏置电流生成PMOS管301，负反馈NMOS管(302、303)，电流调节电阻304和稳压单元电容305。

在此实施过程中，偏置电流单元端口306与差分主体电路相连接，提供其所需要工作电流；偏置电流单元端口306与幅度限制电路相连接，提供其所需要工作电流；偏置电流单元端口307与差分主体单元、幅度限制单元相连接构成共模反馈回路；电阻304可以调节，用来调节偏置电流单元的功耗，进而调节整体电路功耗；电容305用来稳定端口307上的压降。

参见图3b，实施例二中的电流偏置电路(单元)包括：偏置电流生成管311，负反馈NMOS管(312、313、314)和稳压单元电容315。

在此实施过程中，偏置电流单元端口316与差分主体电路相连接，提供其所需要工作电流；偏置电流单元端口316与幅度限制电路相连接，提供其所需要工作电流；偏置电流单元端口317与差分主体单元、幅度限制单元相连接构成共模反馈回路；NMOS管314的(L)可以调节，用来调节偏置电流单元的功耗，进而调节整体电路功耗；电容315用来稳定端口317上的压降。

参见图4a，实施例一中的反馈组件(单元)包括：电阻(401、402)。

在此实施过程中，该反馈组件端口(403、404)与差分主体电路的(209、210)相连接，组件端口403与幅度限制单元相连接，形成共模反馈回路，组件端口403与偏置电流单元相连接。

参见图4b，实施例二中的反馈组件(单元)包括：NMOS管(411、412)；采用NMOS管可以替代参考图4a中的电阻(401、402)，而且在版图上可以节约面积。

在此实施过程中，本反馈组件端口(413、414)与差分主体电路(209、210)相连接，组件端口413与幅度限制单元相连接，形成共模反馈回路，组件端口413与偏置电流单元相连接。

参见图5a，实施例一中的幅度限制电路(单元)包括：偏置PMOS管511，NOMS二极管(512、513)。

在此实施过程中，幅度限制装置的端口514与偏置电路端口(306或316)相连接，偏置幅度限制装置所需电流，PMOS管511与NOMS二极管(512、513)构成低增益运放；幅度限制装置端口515与参考图4a和图4b中的反馈组件端口(405或415)相连接。

参见图5b，实施例二中的幅度限制电路(单元)包括：偏置管521，NMOS跟随管526，负反馈NMOS管(522、525)，以及电流限制电阻(523、524)。

在此实施过程中，幅度限制装置的端口529与偏置电路端口(306或316)相连接，偏置幅度限制装置所需电流；PMOS管521与NOMS二极管522、电阻523构成运放；NMOS管(525、526)、电阻524构成跟随器；幅度限制装置端口528与参考图4a和图4b中的反馈组件端口415相连接；幅度限制装置端口527与反馈组件端口416相连接。

参见图5c，实施例三中的幅度限制电路(单元)包括：偏置管531，NMOS跟随管536，负反馈NMOS管(532、533、534、535)。

在此实施过程中，幅度限制装置的端口539与偏置电路端口(306或316)相连接，偏置幅度限制装置所需电流；PMOS管531与NOMS二极管(532、533)构成运放；NMOS管(534、535、536)构成跟随器；幅度限制装置端口538与参考图4a和图4b中的反馈组件端口415相连接；幅度限制装置端口537与反馈组件端口416相连接。

另外，启动单元和输出驱动单元的电路结构为本领域常规技术手段，故不在此赘述。不过需要指出的是：其中启动单元为通用的简易启动电路，通过电源上电的过程，产生一个启动电平；输出驱动单元为正反馈再生比较器，由于要达到整体电路功耗比较低的缘故，因此其输出摆幅是比较小的，大概200mV不到，常用的反相器波形由于阈值为0.7V左右，很有可能不能翻转，因此采用了正反馈再生比较器作为输出驱动单元，保证其buffer的输入共模能够在低于0.7V情况下工作。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种晶体振荡器电路结构，包括：

一为整体电路提供启动信号的启动电路；

一用来提供直流低功耗电流的电流偏置电路；

一为外部使用电路提供高频信号时钟的输出驱动电路；

一电路谐振组件；

其特征在于，所述启动电路与差分主体电路和电流偏置电路连接；所述电流偏置电路还分别与差分主体电路和共模反馈电路连接；所述差分主体电路还分别与输出驱动电路和电路谐振组件连接。

2.根据权利要求1的晶体振荡器电路结构，其特征在于，所述启动电路包括与电源相连接的栅极NMOS管，以及与NMOS管漏极相连的反相器。

3.根据权利要求1的晶体振荡器电路结构，其特征在于，所述共模反馈电路由共源放大器以及跟随器组成的幅度限制电路和大的NMOS倒比管形成大阻抗器件的反馈组件组成。

4.根据权利要求3的晶体振荡器电路结构，其特征在于，所述共模反馈电路包括两个共模反馈NMOS管，以及两条共模反馈支路。

5.根据权利要求1的晶体振荡器电路结构，其特征在于，所述电流偏置电路包括镜像电流作用的PMOS管，偏压作用的NMOS管以及通过调节电阻阻值来控制电流大小的电阻网络。

6.根据权利要求5的晶体振荡器电路结构，其特征在于，所述电流偏置电路还包括栅极与共模反馈电路输出连接的NMOS管。

7.根据权利要求1的晶体振荡器电路结构，其特征在于，所述电路谐振组件与差分主体电路相并联，由晶体振荡器和电容器构成。