CN103117705A - 一种稳定快速的晶振起振电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速起振且振荡稳定的晶振电路。相对于传统的皮尔斯晶振电路，本发明主要进行了以下改进：第一，采用CMOS工艺，在现有的皮尔斯晶振电路的基础上增加了镜像放大电路，实现快速捕获基本振荡结构的振荡信号并进行二次放大，从另一个角度实现了晶振的快速起振，从而获取相应的参考时钟；第二，电流源和镜像放大电路将谐振电路与外界干扰相隔离实现了稳定的振荡输出。本发明具有快速起振并获取晶振时钟，振荡稳定，功耗低，便于集成的优点。

Description

一种稳定快速的晶振起振电路
技术领域
本发明用于集成电路设计领域，具体涉及一种稳定快速的晶振起振电路。
背景技术
石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件，由于石英晶体具有非常高的品质因数，因此石英晶体振荡器能够产生频率准确而稳定的振荡波形，而广泛用于对振荡频率要求较高的钟表、军工、通信等领域。
如图1所示，是一种较为典型皮尔斯晶体振荡电路，图中电容器C1，C2与石英晶体一起构成选频网络，M1和M2构成反相器作为放大电路，反馈电阻Rf为放大器提供直流偏置。当振荡器电路满足小信号的起振条件，在电源上电的时候，由于电路中的噪声干扰作用，即开始有瞬变电流的产生，这个瞬变电流所包含的频带极宽，但是由于选频回路的选频作用，它只选择了本身谐振频率的信号，由于正反馈的作用，导致谐振频率信号越来越强，从而产生振荡输出。
这种电路结构虽然简单，但性能方面并不理想。首先启动时间较长，尤其对于频率较低的晶体而然，由于放大器的放大能力的限制，需要经过很多个周期的振荡才能将晶振信号输出达到一定的摆幅，产生时钟输出，这对要求快速提供时钟来完成初始化的电路有一定的局限性；其次，易受电源抖动的影响，因为在晶体振荡的过程中，会在与其连接的电源线上造成脉冲干扰，而这种干扰会影响放大器的正常工作；此外，晶振的输出一般经过buffer整形后直接作为时钟参考源连接到其它负载电路，而负载的变化也极易对晶体振荡器的稳定性造成影响。
发明内容
本发明是针对传统晶振电路启动慢，输出时钟时间较长且工作不稳定的问题，提出了一种快速起振，工作稳定的晶振电路，本发明的主要特点在于：
1.在典型的皮尔斯晶振电路基础上增加了镜像放大电路，通过对振荡信号的二次放大，有效提高时钟输出速度；
2.电流源较好的保护了电源线与放大电路的分离，有效防止了由于电源抖动而对放大器工作造成的不稳定；
3.晶体输出信号通过镜像放大器再经反相器整形获得时钟，因此输出端负载变化不会影响晶振电路的稳定工作；
附图说明
图1典型皮尔斯晶体振荡器电路结构；
图2本发明提出的晶体振荡器电路结构；
具体实施方式
以下结合附图，详细说明发明公开的一种稳定快速的晶振起振电路结构和工作过程。
在本发明的实施例中，如图2所示，电流源IB1和电流源IB2其特征在于电流源IB和电流源IB2由外部的自动增益控制系统来控制，可根据晶振输出灵活控制电流大小进而控制反向放大器的增益。电流源IB1可以为基本振荡电路提供稳定的电流，较好的保护了电源线与基本晶振电路的分离，有效防止由于电源(VDD)抖动而造成放大器工作不稳定。石英晶体Crystal和电容C1、电容C2均是位于片外的分立元件构成了振荡器的三点式选频网络，并通过隔直电容C3连接到了NMOS管N1的栅极，隔直电容C3一方面可以起到滤波作用，使晶振输出信号电流变得平滑，振荡更加稳定，另一方面电容C3与电阻Rf构成了一个高通滤波器，对输入信号的幅度有一定的衰减，可以降低反向放大器工作功耗。当晶体振荡时，NMOS管N1可认为是一个负阻，用以补偿选频网络所消耗的能量以维持振荡。反向放大器的输出通过一个片内电阻Rs再连接到片外晶体的输出端，该电阻主要作为一个静电放电保护电阻，对振荡器起到一个良好的限流作用，既降低了功耗，也可以防止晶体因过驱动而损坏。
当振荡器起振时，晶体Crystal的电阻可认为非常小甚至忽略，但偏置电阻Rf，作为放大网络的反馈电阻，阻值一般很大，通常在几兆欧姆甚至十几兆欧姆的范围，那么可认为反向放大器输出端与输入端的信号几乎相等。传统的晶振时钟是通过反向放大器的输出信号再经过buffer整形产生，但这种时钟产生方法需要晶振反复振荡很多周期才能达到一定的摆幅而使buffer工作从而产生时钟方波，其时间较长。在本发明中，振荡信号通过NMOS管N2的镜像作用，将微弱的振荡信号二次放大，从另一个角度获取了晶振的振荡信号并进行有效放大，放大后的振荡信号可加速反相器D1的工作更快速的得到理想的时钟信号。同时反相器D1的输出端又作为了反相器D2的输入端，这样便构成了一个正反馈结构，加速了镜像放大器输出由低到高或者由高到低的转换速率，更迅速的获取时钟。
镜像放大电路较好的将反相器D1输出端的负载与基本振荡电路隔离，输出负载变化几乎不会影响到谐振回路的Q值，这样不仅使得电路更容易起振，也使得晶振电路工作更加稳定。

Claims (2)

1.一种稳定快速的晶振起振电路，包括基本振荡电路和镜像放大电路，所述的基本振荡电路结构，其特征在于，电流源IB1一端接电源VDD，另一端接NMOS管N1的漏极同时接到电阻Rf的一端还接到电阻Rs的一端，电阻Rf的另一端接NMOS管N1的栅极同时接隔直电容C3的一端，还接到镜像放大部分NMOS管N2的栅极，NMOS管N1的源极接地，所述隔直电容C3的另一端接到电容C1的一端同时接到晶体Crystal的输入端，所述的电阻Rs的另一端接到电容C2的一端同时接到晶体Crystal的输出端，所述电容C1和电容C2的另一端都接到地。
2.根据权利要求1所述的镜像放大电路，其特征在于，NMOS管N2的源极接地，NMOS管N2的漏极接反相器D1的输入端，反相器D1的输出端连接到输出端口OUT，同时反相器D1的输出端作为反相器D2的输入端，反相器D2的输出端接到反相器D1的输入端，还连接到电流源IB2的一端，电流源IB2的另一端接电源VDD。
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