CN102006057A - 可编程调整起振条件的低功耗、快速起振晶体振荡器模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可置起振条件的快速起振、低功耗晶体振荡器模块。该模块由反相放大器、反相整形器链、自动增益控制环路(AGC)、反馈电阻和功率限制电阻，以及外接的无源晶振和负载电容组成。反相放大器带有可置的反馈电阻R1，实现晶体振荡器起振条件可置；反相放大器的输入端与偏置端之间接入一个自动增益控制环路AGC，解决起振时间和功耗之间的矛盾。本发明还提出采用微电流源的跨导放大器实现IC的大电阻，用于振荡器放大支路可置的反馈电阻R1以及AGC中π型滤波器的大电阻。大电阻的阻值能够编程控制，通过对反馈电阻R1的调整，可以调整振荡器的起振条件，实现振荡器的可靠、快速起振；通过对π型滤波器中大电阻的调整，可以实现更低的相位噪声。该晶体振荡器电路具有低功耗、快速起振的特点，可广泛应用于各种卫星导航定位接收机的基带处理器和实时时钟RTC等数字集成电路。

Description

可编程调整起振条件的低功耗、快速起振晶体振荡器模块

技术领域

本发明属于通信电子集成电路技术，涉及一种晶体振荡器，特别是涉及可编程调整起振条件的低功耗、快速起振晶体振荡器电路。

背景技术

随着便携式移动设备的发展，低功耗低成本成为集成电路设计的迫切要求。尤其便携式设备中电池供电的计时器设计更是要求低功耗低成本的晶体振荡器电路。对于一般的32.768KHz的晶体振荡器电路，一颗锂电池通常要求工作2～3年，甚至6年。这就对晶体振荡器电路的功耗提出了严格的限制，其工作电流的期望值为小于1μA。

然而，晶振快速起振的条件是需要较大的偏置电流以提供足够的增益，但大偏置电流会使其功耗增大，这就是低功耗晶体振荡器的一对突出矛盾。本领域的技术人员多年来一直致力于低功耗、快速起振晶体振荡器的研究。Vittoz E A等人在IEEE Journal of Solid-State Circuits，1988，23(3)：发表“High-performance crystal oscillator circuits：theory and application”一文，孟新等人在微电子学，2008，38(3)：发表“一种工作于亚阈值区的低功耗CMOS晶体振荡器”一文，他们较仔细地分析了晶体振荡器的起振条件和频率稳定度，但采用弱反型区工作的MOS管作反馈电阻，其阻值随工艺和温度将产生很大的变化，容易造成振荡器的不起振是其严重缺陷。Thommen W等人在Solid-State Circuits Conference，1999：发表“An improvedlow power crystal oscillator”一文，采用跨导放大器实现了大的反馈电阻，但反馈电阻固定，随工艺和温度变化，振荡器的起振条件将发生变化，容易不起振仍是其缺陷。陈曙等人在电子工程师，2004：发表“CMOS石英晶体振荡器的设计与实现”一文，采用高导通电阻的传输门来实现大的反馈电阻，但存在占用芯片面积较大和对工艺要求较高等缺陷。王跃等人在南开大学学报(自然科学版)，2007：发表“用于RTC的32.768KHz晶振电路的设计”一文，论文分析了晶体振荡器的起振条件，但没有提出解决低功耗的最佳技术方案，没有采用自动增益控制环路，因而功耗仍较大。

发明内容

本发明目的是为了克服已有技术的缺陷，从而实现一种低功耗、快速起振的可编程调整起振条件的晶体振荡器集成电路。

为了解决功耗和起振时间的矛盾，本发明提出一种自动增益控制环路结构的晶体振荡器模块，在晶体振荡器上电时，使反相放大器流过较大的偏置电流，使振荡器快速起振，当振荡幅度增大到输出方波以后，减小放大支路的偏置电流，降低功耗的同时也减小了相位噪声。本发明还提出一种采用微电流源跨导放大器结构实现的可编程调整的大阻值，从而实现了对振荡条件的可编程调整，同时将该微电流源跨导放大器结构用于实现自动增益控制环路的π型滤波器，减小了控制电压的波动。

为实现上述目的，提出一种低功耗、快速起振的可编程调整起振条件的晶体振荡器模块。在OSC单片上集成有反相放大器、反相整形器链、自动增益控制环路(AGC)、反馈电阻和功率限流电阻，并外接无源晶振和二个负载电容，构成一种起振条件可置的低功耗、快速起振的OSC电路。反相放大器由反馈电阻确定静态工作点，再接反相整形器链对输出正弦波整形，最终输出方波。自动增益控制环路的输入端连接反相放大器INV1的输入端XIN，输出端连接反相放大器INV1的偏置输入端。反馈电阻为可编程调整阻值的微电流源跨导放大器，可以实现对晶振振荡条件的调整。自动增益控制环路的π型滤波器也采用微电流源跨导放大器，有效减小了控制电压的波动，并能够编程调整π型滤波器中的电阻，实现更好的滤波效果。本发明目的是通过以下的技术方案来实现。

可编程调整起振条件的低功耗、快速起振晶体振荡器模块包括单片集成的反相放大器INV1、反相整形器链INV2、自动增益控制环路AGC、反馈电阻和功率限流电阻，以及外接的无源晶振和负载电容网络。

反相放大器INV1输入端连接外接无源晶振和负载电容网络的输出端XIN，反相放大器INV1的输入端与输出端之间接入一反馈电阻R1，在反相放大器INV1的输入端与偏置端之间接入一个自动增益控制环路AGC；外接无源晶振和负载电容网络的输出端XOUT经功率限流电阻R2连接反相放大器INV1输出端，反相放大器INV1输出端连接反相整形器链INV2的输入端，反相整形器链INV2的输出端为OSC_OUT；

反相放大器INV1由反馈电阻R1确定静态工作点，反相放大器INV1输出的正弦波信号经反相整形器链INV2对正弦波整形，在输出端OSC_OUT输出方波信号；

所述自动增益控制环路AGC接在反相放大器INV1的输入端和偏置端，通过检测INV1输入的振荡幅度并反馈到偏置端，控制反相放大器INV1为晶振提供启动时的大电流和启动后的小电流，使晶体振荡器实现快速起振和降低功耗，并减小了振荡器的相位噪声；

所述反馈电阻R1为阻值可编程调整的大电阻，由反馈电阻R1实现振荡条件的编程控制，该反馈电阻的阻值调节方便并且能节省芯片面积；

晶体振荡器电路片上集成有功率限制电阻R2，降低晶振的驱动功耗和防止晶振过分驱动而损坏。

所述反馈电阻R1为微电流源跨导放大器结构的大电阻，该微电流源跨导放大器的尾电流可以编程调整，编程调整微电流源跨导放大器的尾电流大小能调整大电阻的阻值；用于编程调整反馈电阻R1值来改变晶振起荡条件，实现起荡条件的编程控制。调节方便，而且节省芯片面积，从而克服振荡器起振条件随工艺和温度变化而变化的缺陷。

所述可编程调整的微电流源跨导放大器包括两个模块：(1)可编程调整的自偏置微电流源；用于为跨导放大器提供尾电流偏置。(2)跨导放大器：它以可编程调整的自偏置微电流源提供的尾电流偏置，用于实现可编程调整阻值的大电阻。可编程调整的自偏置微电流源的输出端连接跨导放大器的尾电流偏置输入端，由可编程调整的自偏置微电流源提供尾电流偏置的跨导放大器。

所述可编程调整的自偏置微电流源的偏置电阻为可编程调整的偏置电阻，它由n级串联的偏置电阻和n级可控开关管构成，各级可控开关管的漏极分别连接各级偏置电阻的串接点Sn，各级可控开关管源极连接地VSS，各级可控开关管栅极连接相应的编程控制信号字Pn，用于编程调整提供给跨导放大器的尾电流偏置值；其中n为正整数，其取值范围为2～5。

所述可编程调整的自偏置微电流源的偏置电路中配置一个启动电路；所述启动电路结构为由三个MOS管接成的反相器，用于防止偏置电路上电时出现零电流的平衡点，使偏置电路可靠工作。

所述自动增益控制环路AGC包含一个自动增益控制器和一个π型滤波器；自动增益控制器的输入端连接反相放大器INV1的输入端和晶振XIN端，自动增益控制器的峰值电压输出端连接π型滤波器的输入端，π型滤波器输出端连接反相放大器INV1的偏置输入端；自动增益控制器检测XIN端的信号幅度，在其输出端得到一个峰值电压输出，经过π型滤波器得到稳定的控制电压给反相放大器提供偏置。

所述的π型滤波器由一个大电阻R2_E和两个电容C0、C5构成，π型滤波器滤除AGC的输入端XIN中的32.768KHz正弦波振荡信号，得到稳定的控制电压，为反相放大器INV1提供电流偏置，防止振荡信号反馈对振荡器相位噪声的恶化。

所述π型滤波器中的大电阻R2_E由可编程调整的微电流源跨导放大器构成，节省芯片面积，大电阻值易于调节，通过程控来调整电阻R2_E的阻值达到较大值，用以降低晶体振荡器的相位噪声。

所述的π型滤波器中的大电阻R2_E由可编程调整的微电流源跨导放大器实现，其中跨导放大器以PM1～PM2、NM1～NM3五个小管子为核心，构成五管差分跨导放大器，以有源电流镜为负载，并接成单位增益结构，由结构外的自偏置微电流源提供偏压；该跨导放大器用于实现几十兆欧的大电阻，从而使π型滤波器在达到10KHz截止频率的同时，节省芯片面积，并且能够通过可编程调整的自偏置微电流源调整偏置电压VB来调整等效大电阻阻值，从而调整滤波效果，降低晶体振荡器的相位噪声。

所述自动增益控制环路AGC的输入端接有耦合电容，耦合电容的另一端连接晶振信号XIN端，通过直接耦合检测晶振信号的幅度。AGC在振荡器刚起振时，为反相放大器提供大的偏置电流，使振荡器快速起振；在振荡幅度增大到OSC_OUT输出方波后，通过检测XIN端振荡幅度的变化，调节给反相放大器提供偏置的反馈控制电压，减小反相放大器的偏置电流，最终使整个振荡器正反馈的环路增益降为1，从而实现对反相放大器的增益自动调节，减小了振荡器电路的功耗，同时也减小了振荡器正弦波输出的相位噪声。

本发明的实质性效果是：

1、由自动增益控制环路(AGC)解决振荡器的起振时间和功耗之间的矛盾，并提出由微电流源的跨导放大器实现集成电路中大电阻，使集成电路中的大电阻达到几十兆欧以上，而且占用芯片面积较小。

2、通过对反馈电阻大小的编程调整，调整振荡器的起振条件，实现振荡器的可靠、快速起振，解决振荡器的起振条件对工艺和温度的依赖问题；通过对π型滤波器中的大电阻的编程调整，改善振荡器的相位噪声。

3、提出应用自动增益控制环路来解决低功耗的最佳技术方案，仿真实验表明，在206ms输出方波的起振时间下，振荡器核的电流低至195nA。

4、可编程调整起振条件的低功耗、快速起振晶体振荡器电路可应用于各种卫星导航定位接收机的基带电路及需要实时时钟RTC的数字集成电路中。

附图说明

图1为已有技术晶振振荡器电路模块的基本电路框图。

图2为本发明实施例可编程调整起振条件的低功耗、快速起振的晶体振荡器模块电路框图。

图2中：11-为OSC单片、12-为振荡晶体XTAL、13和14-为晶振负载电容C1和C2、111-为自动增益控制环路AGC、112-为反相放大器INV1、113-为反相整形器链INV2、114-为反馈电阻R1、115-为功率限流电阻R2、116-为晶振信号端XIN、117-为晶振信号端XOUT、118-为晶体振荡器模块输出端OSC_OUT。

图3a为反相放大器INV1等效为一个MOS管的负阻电路原理图。

图3b为图3a负阻电路的等效电路原理图。

图3c为图3a为一个MOS管等效负阻电路的晶体振荡器电路原理图。

图4为晶振振荡器电路的整体等效电路图。

图5为图4中Zc的等效电阻随反相放大器增益Gm变化的仿真曲线。

图6为本发明实施例的低功耗、快速起振的可编程调整起振条件的晶体振荡器模块的电原理图。

图7a为本发明实施例的微电流源跨导放大器的电原理图。

图7中：71-为跨导放大器、72-可编程调整偏置电压的自偏置微电流源。

图7b为本发明实施例的两个跨导放大器共用一个自偏置的微电流源的电原理框图。

图8为本发明实施例的可编程调整偏置电压的自偏置微电流源的电路图。

图8中：81-为启动电路、82-为自偏置微电流源、83-为可编程调整偏置电阻。

图9为本发明实施例的振荡器的正弦输出波形及控制电压的输出仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

图1为已有技术的晶振基本电路。R1为反相器INV1提供偏置，使其中的MOS管工作在饱和区以获得较大的增益；C1、C2和杂散电容一起构成晶体的电容负载，同时它们和反相器INV1一起可以等效为一负阻，为晶体提供其振荡所需要的能量；R2用来降低对晶体的驱动能量，以防止晶体损坏或出现异常；反相器INV2对INV1的输出波形整形并驱动负载，可以是两级以上的反相整形电路。

实施例1

图2为本发明实施例的低功耗、快速起振的可编程调整起振条件的晶体振荡器电路框图。XIN和XOUT引脚分别接晶振的负载电容C1和C2，并在XIN和XOUT引脚间接入32.768KHz的晶振XTAL。111为内部带π型滤波器的自动增益控制环路AGC，AGC的输出端连接INV1反相放大器112的偏置端，INV1反相放大器112输出端与INV2反相放大器链113输入端串联连接，在串联连接端还连接R1反馈电阻114和R2功率限流电阻115的一端，R1反馈电阻的另一端连接AGC的输入端、INV1反相放大器112输入端和OSC单片11的XIN输入端116，XOUT输出端117连接R2功率限流电阻115的另一端。114反馈电阻R1是由可编程调整的微电流源跨导放大器实现。111自动增益控制环路AGC检测XIN引脚的正弦波幅度，并通过内部的π型滤波器滤除32.768KHz的振荡频率信号，得到稳定的控制电压为反相放大器INV1提供偏置。在振荡器刚起振时，为反相放大器提供大的偏置电流，使振荡器快速起振；在振荡幅度增大到引脚OSC_OUT输出方波后，减小反相放大器的偏置电流，减小了振荡器电路的功耗，同时也减小了振荡器正弦波输出的相位噪声。

本发明将反相放大器INV1等效为一个MOS管，则得到负阻电路。负阻电路原理图如3a所示。

由反向放大器和晶体两端的负载电容组成。设M1的跨导为G_m，则M1的漏电流等于(-I_x/sC1)G_m，这样，得到

$\frac{V_x}{I_x}=\frac{G_m}{s^2{C}_1{C}_2}+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1}+\frac{1}{s{C}_2}---\left(1\right)$

对于s＝jω，Z_x等效为一个等于-G_m/(ω²C₁C₂)的负电阻和C1、C2串联组成，如

图1b所示。

将起电感作用的晶振接在M1的栅漏两端，就得到晶体振荡器电路，如图3c所示。

实际实施中，将M1用反向放大器代替，其跨导为G_m。将晶体和反相放大器的偏置电阻R1置于放大器的输入和输出两端就构成了晶振电路，得到如4所示的等效串联谐振电路。其中，C_p和R₁并入前述的负阻网络，形成阻抗Z_c。可见，要维持电路振荡，需要Z_c的实部Re(Z_c)≥R_s，其中

$Z_c=\frac{1}{{\mathrm{j\ω}}_0{C}_p}//R_1//(\frac{1}{{\mathrm{j\ω}}_0{C}_1}+\frac{1}{j{\mathrm{\ω}}_0{C}_2}+\frac{G_m}{{{\mathrm{\ω}}_0}^2{C}_1{C}_2})---\left(2\right)$

因此，要使振荡器能够振荡，反相器的G_m的大小有一个范围。G_m只有取中间值，才能够维持晶体的振荡并快速起振。

反相放大器对G_m的取值：尤其是对32.768KHz的晶振，由于其R_s值较大，G_m设置不当会导致晶体不振荡。由(2)式知，反馈电阻R1的取值会影响到Z_c的实部，从而影响到满足振荡条件的G_m的范围。为此，本发明实施例提出可编程调整反馈电阻阻值由外部编程控制的方案，使满足振荡条件的G_m的范围可以变化，从而使反相放大支路的G_m值落在起振条件的范围内。这样，可以灵活地调整起振条件，实现振荡器的可靠、快速起振。在反馈大电阻分别取值为77M，88M和99M的情况下，使用仿真软件画出(2)式中阻抗Z_c相对于跨导G_m的三条轨迹图，如图5所示，横轴是Z_c的实部(电阻部分)，纵轴是Z_c的虚部(电容部分)。32.768KHz晶体的R_s最大值典型的取值为50KΩ。图中竖线对应实轴上的值为-50KΩ，当晶振电路的G_m值落在竖线左边的半圆上时可以振荡。竖线与半圆的两个交点分别是G_m的最大值和最小值。如图5中所示，反馈电阻的值由77M增大到99M，所对应G_m的最大值由8.2μS增大到10.5μS，而G_m的最小值由0.06μS减小到0.048μS，变化较小。可见，通过编程增大反馈电阻的阻值，使满足振荡条件的G_m的范围变大，从而更容易满足工艺偏差或温度变化时振荡器的起振条件。

实施例2

图6给出本发明实施例晶体振荡器模块的整体电路图，这种低功耗、快速起振的可编程调整起振条件的晶体振荡器模块的用作大电阻的两个跨导放大器共用一个自偏置微电流源提供偏压。自动增益控制环路AGC包括由C4、PM6、NM5、NM6和电阻R3组成的自动增益控制放大器，由电阻R2_E、电容C0和C5组成的π型滤波器。VB3偏置接入自动增益控制放大器PM6的栅极，同时来自XIN端的晶振信号经隔直流电容C4耦合也接到PM6的栅极，为AGC环路的输入端提供被检测的晶振信号。自动增益控制放大器PM6的漏极连接π型滤波器的输入端Vi，π型滤波器的输出端连接反相放大器的偏置管PM2的栅极。由PM1、NM1和NM2以及R1_E构成反相放大器，反馈电阻R1_E为等效的的大电阻，连接在反相放大器输入端NM1的栅极和反相放大器输出端NM1的漏极之间。XIN连接反相放大器的输入端，XOUT经过功率限流电阻R2连接反相放大器的输出端，XIN和XOUT两端连接晶振和晶振的负载电容。自动增益控制放大器检测XIN的振荡幅度，在PM6的漏极得到峰值电压输出Vi，经π型滤波器滤除32.768KHz的振荡频率，接入PM2的栅极，在PM2的源极得到稳定的控制电压。反相放大器的偏置管PM2的源极经电阻R4连接反相放大器PM1的源端，为反相放大器提供稳定的偏置电压。反相整形器链由PM3、PM4和NM3构成的第一级反相整形器以及由PM5和NM4构成的第二级反相整形器组成。反相放大器的输出端为PM1和NM1的漏极，连接反相和NM3的漏极输出连接第二级反相整形器PM5和NM4的栅极，第二级反相整形器PM5和NM4的漏极为低功耗、快速起振晶体振荡器的输出端OSC_OUT。偏置电压VB1连接反相整形器链第一级偏置管PM3的栅极，为反相整形器链提供偏置电压。反相整形器链第一级PM4和NM3的栅极经功率限流电阻R2还连接晶振信号XOUT端，经反相整形器链输出稳定的晶振信号。反相放大器反馈电阻的大电阻R1_E和π型滤波器的大电阻R2_E的配置控制端都连接可配置控制电压信号VB2，在VB2控制下使大电阻R1_E和R2_E的阻值按配置的控制字而改变，从而实现调整晶振的起振条件和滤波效果的控制。

自动增益控制的工作过程为：在振荡器刚起振时，晶振XIN端信号幅度极小，VB3提供的偏置电压让PM6偏置在阈值电压附近，PM6不导通，使AGC环路π型滤波器的输入端电压V_i和输出端电压V_c为较低电平，使PM2管导通电流快速增大，使流过反相器偏置电流增大，反相器的增益快速增大，为晶振提供足够大的启动电流，使得晶振快速起振，晶振信号XOUT端的振荡幅度快速增大。随着晶振XIN端信号幅度的增大，通过电容C4耦合到PM6的栅极，在一个振荡周期内，PM6导通的时间越来越长，使V_i的幅度增大，经过π型滤波器滤波后的V_c电压升高，PM2管导通电流快速减小，使流过反相器偏置电流减小，反相器的增益减小，晶体振荡器的幅度增幅逐渐变小。当晶振信号XOUT端的振荡幅度增大到使反相整形器链输出端OSC_OUT为方波时，振荡支路的偏置电流减小到使晶振环路的增益降为1，晶振电路达到平衡而工作在低功耗状态。可见，通过引入自动增益控制环路，在同样的起振时间下降低了功耗，同时减小了管子的非线性所引起的相位噪声。VB1为第一级的整形反相器提供偏置电流，容易实现较低的功耗。PM5和NM4构成第二级反相器进一步整形并输出方波。自动增益控制环路AGC检测XIN输入幅度的变化，产生随振荡幅度增大而升高的控制电压，经过π型滤波器滤掉32.768KHz振荡频率后，得到稳定的控制电压为反相放大器INV1提供电流偏置，偏置电流反馈回反相放大器INV1，使INV1的增益降低，最终使整个振荡器正反馈的环路增益降为1，实现对环路增益的快速、自动调节。自动增益控制环路AGC在振荡器刚起振时，产生较低的控制电压，为反相放大器提供大的偏置电流，使振荡器快速起振；在振荡幅度增大到OSC_OUT输出方波后，控制电压升高，减小反相放大器的偏置电流和增益，减小了振荡器电路的功耗，使电路的管子保持在线性区工作，减小了非线性所引起的相位噪声，有效改善振荡器正弦波输出的相位噪声。

为避免负载效应，用于确定反相器工作点的反馈电阻的值应为20MΩ2以上。如果用IC工艺中普通的电阻将会占用非常大的版图面积，而且不易调整。因此，用跨导放大器代替反馈电阻R1，通过调整跨导放大器的尾电流就可以方便地调整反馈电阻到较大的值。由于需要π型滤波器的截止频率较低，对本发明实施例，C0＝1.5pF，C5＝8.7pF，要滤掉振荡频率，R2的阻值也应为20MΩ以上。因此采用和R1同样的微电流跨导放大器实现。如错误！未找到引用源。中，VB2为两个跨导放大器提供偏置电压。这样，当通过编程使R1-E的阻值增大时，R2-E的阻值也增大，从而实现更好的滤波效果。两个构成大电阻的跨导放大器由同样的自偏置的微电流源提供偏置电压VB2。

图7a给出本发明实施例2的微电流源跨导放大器的等效电原理图。微电流源跨导放大器的电路包括跨导放大器71以及为其提供尾电流偏置的可编程调整偏置电压的自偏置微电流源73。微电流源跨导放大器可以等效为大电阻，用作本发明实施例的反馈电阻R1_E和π型滤波器中的电阻R2_E。跨导放大器71由PM1～PM2和NM1～NM3五个小管子构成，跨导放大器为五管差分跨导放大器结构，以有源电流镜做负载，并接成单位增益结构，由结构外的自偏置微电流源提供偏压VB，接入NM3的栅极；通过调整偏置电压VB值使跨导放大器的尾电流偏置在纳安级内调整，在集成电路中就能实现几十兆欧甚至几百兆欧的大电阻，而且占用芯片面积大为减小。

实施例3

本发明实施例3晶体振荡器模块的两个构成大电阻的跨导放大器分别用一个可编程调整的自偏置微电流源来提供偏置电压VB2，参见图7a。采用两个独立的自偏置微电流源分别为两个跨导放大器提供偏置，对R1-E和R2-E独立进行编程控制，可以实现R1-E和R2-E阻值的精确控制。

作为优选，图7b给出本发明实施例2中的两个微电流源跨导放大器共用一个自偏置的微电流源的电原理框图。两个微电流源跨导放大器R1_E和R2_E共用一个可编程调整的微电流源73，实现R1-E和R2-E阻值的统一编程控制。与本发明实施例3相比，可以节省芯片面积和功耗。

实施例4

图8给出了本发明实施例的可编程调整偏置电压的自偏置微电流源的电路图。自偏置微电流源的偏置电阻由可编程调整偏置电阻83组成，自偏置微电流源82包括八个MOS管M2～M9，构成共源共栅的电流镜结构。可编程调整偏置电阻83包括n个MOS管M_S1～M_Sn和n个偏置电阻。为了防止上电时自偏置微电流源出现零电流的平衡点，在自偏置微电流源还配置一个启动电路81。本发明实施例的跨导放大器的跨导为可调整的，跨导的调整是通过调整微电流源的偏置电阻来实现。本发明实施例的可编程调整偏置电压的自偏置微电流源包括一个可编程调整偏置电阻，可编程调整偏置电阻是由n个串接的电阻R0、R1、……Rn以及在每个串接电阻的与地VSS之间并联一个程控开关管构成。各级程控开关管的漏极连接相应的串接点，各级程控开关管的源极接地，各级程控开关管的栅极连接相应的控制字P1、P2、……Pn。控制字P1、P2、……Pn由晶体振荡器所在系统初始化时设置，接在串接电阻相应串接点的程控开关管按照控制字P1、P2、……Pn的设置进行程控切换，调整偏置电阻值。这样得到的偏置电压可编程的微电流源提供的偏置电压能够满足跨导放大器和π型滤波器大电阻的实际要求。

自偏置微电流源配置的启动电路81由三个MOS管M10～M12构成，M10和M11接成反相器，如图8所示。上电时，偏置电压VB为低电平，偏置电压VB通过M10和M11反相器后使M12管导通，将M6和M7的栅极电平拉低，从而使自偏置微电流源的电流镜中有电流流过。当VB升高到正常工作电平，通过M10和M11的反相器后，M12的栅极为低电平，将M12关断，使启动电路与主电路断开。为降低启动电路的电流消耗，在工艺上使M11的宽长比远小于M10，正常工作时启动电路以15nA耗电实现低功耗。自偏置的微电流源82由M2～M9构成共源共栅的电流镜结构，提高自偏置微电流源电路的电源抑制比。

图6中所有的偏置电压VB1、VB2和VB3都是采用图8所示的可编程调整偏置电压的自偏置微电流源提供，将图8所示的偏置电压VB1、VB2和VB3接入图6，就是本发明实施例晶体振荡器模块的完整电路图。将图8所示的偏置电压VB接入图7a和图7b，就是完整的可编程调整的微电流跨导放大器电路图。

本发明实施例中可编程调整偏置电阻的控制字Pn编程情况，以n为2的两位控制字为例说明。设两位控制字为P1和P2。若P1和P2均为低电平，则开关管M_S1和M_S2截止，R0和R1不被短路，则偏置电阻为R0、R1和R2的串联值。若P1为高电平，P2为低电平，则开关管M_S1导通，R0被短路，串接点S1接地，开关管M_S2截止，R1不被短路，则调整后的偏置电阻为R1和R2串联值。若P2为高电平，则开关管M2导通，串接点S2接地，R1和R0均被短路，调整后的偏置电阻为R2。显而易见，通过对偏置电阻的编程调整，就能实现偏置电压的步进调整。设R0＝R1＝R2＝100KΩ，控制字“1”为高电平，“0”为低电平，编程调整控制字P1和P2，可得到相应的偏置电压VB值以及跨导放大器的等效大电阻Req值。编程控制跨导放大器等效大电阻的数据如表1所示。

表1跨导放大器等效大电阻的编程控制数据

P1	P2	VB(mV)	Req(MΩ)
				0	1	665	77
1	0	635	88
				0	0	630	99

可见，通过电阻串的编程调整，实现了跨导放大器的等效大电阻R_eq的等步长调整。由式(2)和图5可见，通过反馈电阻R1的编程调整，将会使振荡器的起振条件发生变化，保证振荡器可靠和快速地起振。

对本发明实施例的可编程调整起振条件的低功耗、快速起振晶体振荡器模块作了仿真实验，振荡器的正弦输出和控制电压的波形如图9所示。V_c控制电压的初始电压为1.56V，自动增益控制环路起作用后，V_c的电平升高到2.1V，减小了反相放大器的偏置电流，从而使振荡器的正弦输出X0UT的幅度减小，减小了非线性引起的相位噪声。稳定后，V_c控制电压的波动幅度的大小只有1.3mV，说明微电流的跨导放大器用于π型滤波器，很好地实现了滤波效果，从而对振荡器的相位噪声影响很小。

当控制字P1＝“1”，P2＝“0”时，本发明实施例实现的晶体振荡器电路仿真实验得到的相位噪声如表2所示。

表2晶体振荡器电路的相位噪声

频偏(Hz)	相位噪声(dBc/Hz)
		10	-93
100	-112
		1K	-121
10K	-141

本发明实施例实现的晶体振荡器电路仿真实验得到的主要指标测试值如表3所示。

从表2和表3的数据可见，从上电到输出方波计算起振时间，起振时间为206ms，能够以较小的功耗实现快速的起振，稳定后方波的占空比为46％。本发明实施例振荡器具有良好的相位噪声性能，并有良好的稳定性。振荡器核心电路起振初始电流497nA，稳定后电流为195nA，为低功耗的晶体振荡器。

表3晶体振荡器电路的主要指标

参数	指标
		中心频率	32.768KHz
电源电压	3.0V
		起振时间	206ms
振荡器核心电路的初始电流	497nA
		稳定后的振荡器核的电流	195nA
输出方波的占空比	46％

本领域技术人员可以理解，在不背离本发明广义范围的前提下，对上述实施例作出若干改动。因而，本发明并不仅限于所公开的特定实施例。其范围应当涵盖所附权利要求书限定的本发明核心及保护范围内的所有变化。

Claims (10)

1.可编程调整起振条件的低功耗、快速起振晶体振荡器模块，其特征在于，所述晶体振荡器模块包括单片集成的反相放大器INV1、反相整形器链INV2、自动增益控制环路AGC、反馈电阻和功率限流电阻，以及外接的无源晶振和负载电容网络；

反相放大器INV1输入端连接外接无源晶振和负载电容网络的输出端XIN，反相放大器INV1的输入端与输出端之间接入一反馈电阻R1，在反相放大器INV1的输入端与偏置端之间接入一个自动增益控制环路AGC；外接无源晶振和负载电容网络的输出端XOUT经功率限流电阻R2连接反相放大器INV1输出端，反相放大器INV1输出端连接反相整形器链INV2的输入端，反相整形器链INV2的输出端为OSC_OUT；

反相放大器INV1由反馈电阻R1确定静态工作点，反相放大器INV1输出的正弦波信号经反相整形器链INV2对正弦波整形，在输出端OSC_OUT输出方波信号；

所述自动增益控制环路AGC接在反相放大器INV1的输入端和偏置端，通过检测INV1输入的振荡幅度并反馈到偏置端，控制反相放大器INV1为晶振提供启动时的大电流和启动后的小电流，使晶体振荡器实现快速起振和降低功耗，并减小了振荡器的相位噪声；

所述反馈电阻R1为阻值可编程调整的大电阻，由反馈电阻R1实现振荡条件的编程控制，该反馈电阻的阻值调节方便并且能节省芯片面积；

所述功率限制电阻R2，降低晶振的驱动功耗和防止晶振被过流驱动而损坏。

2.根据权利要求1所述的可编程调整起振条件的低功耗、快速起振晶体振荡器模块，其特征在于，所述反馈电阻R1为微电流源跨导放大器结构的大电阻，该微电流源跨导放大器的尾电流可以编程调整，编程调整微电流源跨导放大器的尾电流大小能调整大电阻的阻值；用于编程调整反馈电阻R1值来改变晶振起荡条件，实现起荡条件的编程控制。

3.根据权利要求2所述的可编程调整起振条件的低功耗、快速起振晶体振荡器模块，其特征在于，所述微电流源跨导放大器包括两个电路：

(1)可编程调整的自偏置微电流源：用于为跨导放大器提供尾电流偏置；

(2)跨导放大器：它以可编程调整的自偏置微电流源提供的尾电流偏置，用于实现可编程调整阻值的大电阻；

可编程调整的自偏置微电流源的输出端连接跨导放大器的尾电流偏置输入端。

4.根据权利要求3所述的可编程调整起振条件的低功耗、快速起振晶体振荡器模块，其特征在于，所述可编程调整的自偏置微电流源的偏置电阻为可编程调整的偏置电阻，它由n级串联的偏置电阻和n级可控开关管构成，各级可控开关管的漏极分别连接各级偏置电阻的串接点Sn，各级可控开关管源极连接地VSS，各级可控开关管栅极连接相应的编程控制信号字Pn，用于编程调整提供给跨导放大器的尾电流偏置值；其中n为正整数，其取值范围为2～5。

5.根据权利要求1或3所述的可编程调整起振条件的低功耗、快速起振晶体振荡器模块，其特征在于，所述可编程调整的自偏置微电流源的偏置电路中配置一个启动电路；所述启动电路结构为由三个MOS管接成的反相器，用于防止偏置电路上电时出现零电流的平衡点，使偏置电路可靠工作。

6.根据权利要求1所述的可编程调整起振条件的低功耗、快速起振晶体振荡器模块，其特征在于，所述自动增益控制环路AGC包含一个自动增益控制器和一个π型滤波器；自动增益控制器输入端连接反相放大器INV1的输入端XIN，自动增益控制器的输出端连接π型滤波器的输入端，π型滤波器输出端连接反相放大器INV1的偏置输入端；自动增益控制器的输入端连接反相放大器INV1的输入端和晶振XIN端。

7.根据权利要求7所述的可编程调整起振条件的低功耗、快速起振晶体振荡器电路，其特征在于，所述的π型滤波器由一个大电阻R2_E和两个电容C0、C5构成，π型滤波器滤除AGC的输入端XIN中的32.768KHz正弦波振荡信号，得到稳定的控制电压，为反相放大器INV1提供电流偏置，防止振荡信号反馈对振荡器相位噪声的恶化。

8.根据权利要求7或8所述的可编程调整起振条件的低功耗、快速起振晶体振荡器模块，其特征在于，所述π型滤波器中的大电阻R2_E由可编程调整的微电流源跨导放大器构成，节省芯片面积，大电阻值易于调节，通过程控来调整电阻R2_E的阻值达到较大值，用以降低晶体振荡器的相位噪声。

9.根据权利要求1或2或3所述的可编程调整起振条件的低功耗、快速起振晶体振荡器模块，其特征在于，所述跨导放大器为五管差分跨导放大器结构，以有源电流镜为负载，并接成单位增益结构，由结构外的自偏置微电流源提供偏压；该跨导放大器用于实现几十兆欧的大电阻，使采用大电阻结构π型滤波器的截止频率达到10KHz，同时，节省芯片面积。

10.根据权利要求1或6或7所述的可编程调整起振条件的低功耗、快速起振晶体振荡器模块，其特征在于，所述自动增益控制环路AGC的输入端接有耦合电容，耦合电容的另一端连接晶振信号XIN端，通过直接耦合检测晶振信号的幅度。

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