CN103117725B - 一种适用于多种频率晶体的晶振起振电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于多种频率晶体的晶振起振电路。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由二进制控制码控制的可编程电流源，使得反相放大器的增益可控，从而保证不同频率的晶体都可以振荡；第二，增加了峰值检测电路，通过检测晶振电路输出信号的峰值，使晶振电路工作在一个较低的功耗范围内。本发明具有可实现多种频率晶体起振，功耗低，便于集成的优点。

Description

一种适用于多种频率晶体的晶振起振电路

技术领域

 本发明用于集成电路设计领域，具体涉及一种适用于多种频率晶体的晶振起振电路。

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。

由于这种电路结构中反相器所提供的负阻是一个相对固定值，根据巴克豪森准则，该电路只能实现单一频率的晶体或者单一频率晶体附近较小频率范围的晶体起振，而无法实现当外界接入晶体的频率从KHz级到MHz级都可以正常工作。因此，传统的晶振电路结构在应用的灵活性方面存在着一定的局限性。

发明内容

本发明是针对传统晶振电路无法实现多种频率晶体起振的问题，提出了一种可以实现晶体频率从KHz级到MHz级都可以正常工作的晶振起振电路，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由计数器控制的n位可编程电流源，通过改变电流源电流的大小，进而改变基本振荡电路中反向放大器的增益，实现从频率从KHz级到MHz级的晶体都可以正常工作；

2.      峰值检测电路通过检测基本振荡电路输出信号的峰值来控制计数器，进而由计数器固定可编程电流源的电流大小，保证了基本振荡电路在正常起振的情况下功耗最优化；

3.      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；

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，详细说明本发明公开的一种适用于多种频率晶体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，当电源上电后，计数器开始从0计数，n位可编程电流源的电流控制位均为0时电流最小并随着计数器的向上计数电流增大。随着计数器的持续计数，由计数器n位输出控制可编程电流源的电流输出增大，可编程电流源的电流会镜像到基本振荡电路反相放大器的电流源中，从而改变反相放大器的跨导，进而改变增益。通常情况下，低频晶体较难起振，因此需要反相放大器提供较大的增益。当反相放大器的增益满足晶体的起振条件后，晶体正常工作并产生振荡输出信号，振荡输出信号一方面经过输出驱动电路整形连接到OUT端，另一方面振荡输出信号作为输入接到峰值检测电路，若振荡器的输出信号达到预定峰值后，峰值检测的输出便会使计数器停止工作，此时计数器n位输出控制码是一个定值，可编程电流源的电流相对固定不再增加，那么，该电流大小在保证晶体正常工作的前提下，实现了功耗的最优化。由于晶振输出信号，从起振到达到预定电压摆幅需要一定的时间，因此可以将计数器的计数间隔时间设定相对较长，以保证基本振荡电路的输出信号充分放大，更准确的反映到峰值检测电路中。

在基本振荡电路中，电流源I_B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。

通过以上说明，在本发明中可编程电流源的引入可以更加灵活的改变基本振荡电路中反向放大器的跨导和增益，实现了该晶振电路可适用于多种频率的晶体，且该电路采用标准CMOS工艺，更易于集成；同时，峰值检测电路保证了晶振电路在正常工作的前提下，实现了功耗最优化。

Claims (1)

1.一种适用于多种频率晶体的晶振起振电路，包括计数器、可编程电流源、基本振荡电路、峰值检测电路和输出驱动电路，其特征在于，计数器的1、2···n-1、n位输出端分别接到可编程电流源的输入端，可编程电流源的输出端作为电流控制端接到基本振荡电路电流源（I_B）的输入端，基本振荡电路的输出端接到输出驱动电路的输入端，输出驱动电路的输出端接输出端口，基本振荡电路的输出端还作为峰值检测电路的输入端，峰值检测电路的输出端接到计数器的输入端，在基本振荡电路中，电流源（I_B）一端接电源（VDD），另一端接NMOS管（N1）的漏极同时接到第一电阻（Rf）的一端，还接到第二电阻（Rs）的一端，第一电阻（Rf）的另一端接NMOS管（N1）的栅极同时接第三电容（C3）的一端，NMOS管（N1）的源极接地，所述第三电容（C3）的另一端接到第一电容（C1）的一端同时接到晶体（Crystal）的输入端，所述的第二电阻（Rs）的另一端接到第二电容（C2）的一端同时接到晶体（Crystal）的输出端，所述第一电容（C1）和第二电容（C2）的另一端都接到地。