CN104038156A

CN104038156A - 晶体振荡器

Info

Publication number: CN104038156A
Application number: CN201410261203.6A
Authority: CN
Inventors: 陈春平
Original assignee: Zhuhai Jieli Technology Co Ltd
Current assignee: Zhuhai Jieli Technology Co Ltd
Priority date: 2014-06-12
Filing date: 2014-06-12
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2034-06-12
Also published as: CN104038156B

Abstract

本发明提供一种晶体振荡器，其包括幅度控制电路、反相放大器、反馈电阻，所述反相放大器的输出端连接所述幅度控制电路的输入端，所述幅度控制电路的输出端连接所述反相放大器的电流偏置端，所述反馈电阻的一端连接所述反相放大器的输入端，所述反馈电阻的另一端连接所述反相放大器的输出端。本发明的晶体振荡器可以降低功耗，还可以稳定振荡频率。

Description

晶体振荡器

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别是涉及一种晶体振荡器。

背景技术

晶体振荡器，多采用价格便宜且精准度高的石英晶体为时钟源。石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。由于该晶体振荡器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中。

但石英晶体是无源器件，需配合振荡电路，才能正常工作。传统的晶体振荡器一般是基于CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，指互补金属氧化物(PMOS管和NMOS管))技术的，多数简单地采用大电阻，将CMOS反相放大器偏置于互补放大器状态，满足巴克豪斯起振条件，从而驱动石英晶体，产生所需时钟。其电路原理如图1所示。这种晶体振荡器，虽然结构简单，但是其在一个时钟周期内，存在很大的从电源到地的短路电流，因而，功耗比较大，此外，容易受到电源和地的噪声影响，直接影响振荡频率的稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种晶体振荡器，可以降低功耗，稳定振荡频率。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种晶体振荡器，包括幅度控制电路、反相放大器、反馈电阻，所述反相放大器的输出端连接所述幅度控制电路的输入端，所述幅度控制电路的输出端连接所述反相放大器的电流偏置端，所述反馈电阻的一端连接所述反相放大器的输入端，所述反馈电阻的另一端连接所述反相放大器的输出端。

本发明的晶体振荡器的工作原理是，在本发明的晶体振荡器开始工作时，幅度控制电路先产生起始振荡电流，将反相放大器偏置于增益比较大的状态，使得电路快速起振，同时，振荡的幅度信息反馈到幅度控制电路里，经峰值检测，产生控制信号反向调节振荡电流，使得幅度变大，振荡电流减小，最终达到一个平衡点，控制驱动石英晶体的能量在一个固定的范围，实现了振荡电流的自动控制，因而，不会产生从电源到地的过大的短路电流，降低了功耗，同时，由于石英晶体的能量被稳定在固定的范围，使其不易受到电源和地的噪声影响，稳定了振荡频率。

附图说明

图1为传统的晶体振荡器的电路原理图；

图2为本发明的晶体振荡器的一个实施例的结构示意图；

图3为本发明实施例的晶体振荡器的原理图；

图4为图2中的幅度控制电路在其中一个实施例中的结构示意图；

图5为本发明的晶体振荡器的另一个实施例的结构示意图；

图6为图5中的微调电容阵列在其中一个实施例中的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步阐述，但本发明的实现方式不限于此。

参见图2所示，为本发明的晶体振荡器的一个实施例的结构示意图。参见图3所示，为本发明实施例的晶体振荡器的原理图。

如图2所示，本实施例中的晶体振荡器，包括幅度控制电路10、反相放大器20反馈电阻30，反相放大器20的输出端vout连接幅度控制电路10的输入端vin，幅度控制电路10的输出端连接反相放大器20的电流偏置端，反馈电阻30的一端连接反相放大器20的输入端，反馈电阻30的另一端连接所述反相放大器20的输出端，其中，反相放大器20包括一接地端，该接地端接地。

上述本实施例的晶体振荡器的工作原理是，在本实施例的晶体振荡器开始工作时，幅度控制电路10先产生起始振荡电流，将反相放大器20偏置于增益比较大的状态，使得电路快速起振，同时，振荡的幅度信息反馈到幅度控制电路10里，经峰值检测，产生控制信号反向调节振荡电流，使得幅度变大，振荡电流减小，最终达到一个平衡点，控制驱动石英晶体的能量在一个合适的水平，实现了振荡电流的自动控制，因而，不会产生从电源到地的过大的短路电流，降低了功耗，同时，由于石英晶体的能量被稳定在固定的范围，使其不易受到电源和地的噪声影响，稳定了振荡频率。

在其中一个实施例中，如图3所示，上述实施例中的幅度控制电路10可以包括第一MOS管N1、第二MOS管N2、第三MOS管N3、第四MOS管N4、第五MOS管N5、第一参考电流源Iref1、第二参考电流源Iref2、运算放大器OP1、第一电流镜Imi1、第二电流镜Imi2，第一MOS管N1的漏极、第一MOS管N1的栅极、第二MOS管N2的栅极、第三MOS管N3的源极、运算放大器OP1的正端相互连接，第一MOS管N1的源极连接第一电流镜Imi1的输出端，第一电流镜Imi1的输入端连接第一参考电流源Iref1的一端，第一参考电流源Iref1的另一端分别连接第三MOS管N3的漏极、第二电流镜Imi2的输入端、第二参考电流源Iref2的一端，第二参考电流源Iref2的另一端分别连接第二MOS管N2的漏极、第三MOS管N3的栅极，第二电流镜Iref2的输出端连接反相放大器20的电流偏置端，运算放大器OP1的负端、运算放大器OP1的输出端、第四MOS管N4的栅极、第五MOS管N5的漏极、第五MOS管N5的栅极相互连接，第四MOS管N4的源极接地，第四MOS管N4的漏极连接第二电流镜Imi2的接地端，第五MOS管N5的源极连接反相放大器20的输出端；

其中，上述的第一MOS管N1、第二MOS管N2、第三MOS管N3、第四MOS管N4、第五MOS管N5为N型MOS管。

如图3所示，由于第二MOS管N2的漏极和栅极接在一起，产生参考电压vrd，第二MOS管N2栅极接到vrd上，第二参考电流源Iref2接第二MOS管N2的漏极，第三MOS管N3的栅极接到第二MOS管N2的漏极，第三MOS管N3的源极接到参考电压vrd上。这样第二MOS管N2、第三MOS管N3与第二参考电流源Iref2构成负反馈电路，稳定了参考电压vrd。

而运算放大器OP1的正端接参考电压vrd，运算放大器OP1的负端接运算放大器OP1的输出节点vrb，组成单位增益缓冲器。第五MOS管N5的栅极和漏极都接在vrb上，源极接反相放大器的输出端vout，组成二极管作为检测vout的峰值用。

第四MOS管N4的栅极接在节点vrb上，第四MOS管N4的漏极连接第二电流镜Imi2的输入端，电流镜Imi2的输出端为振荡电流Iosc输出端，连接反相放大器的电流偏置端。

在本实施例的晶体振荡器开始工作时，晶体振荡器的电路还未振荡，反相放大器20的输入端、输出端的电压相等，参考电压vrd和参考电压vrb相等，第四MOS管N4的漏极的电流与第二MOS管N2的漏极的电流成固定比例。

振荡开始后，反相放大器20的输出端vout的幅度越来越大达到一定幅度时，第五MOS管N5组成的二极管开始导通，流走部分电荷，使得节点vrb的电压下降，第四MOS管N4的电流减小，从而使第二电流镜Imi2输出的振荡电流Iosc减小。

最终反相放大器20的输出端vout的幅度在一个合适驱动水平上达到稳定，节点vrb的电压和振荡电流Iosc也不再变化。

本实施例中的幅度控制电路10结构简单、器件成本低，同时，由于可以控制反相放大器20的输出端vout的幅度在一个合适驱动水平上达到稳定，降低了功耗。

在其中一个实施例中，如图4所示，上述的第一电流镜Imi1可以包括第六MOS管N6、第七MOS管N7，第六MOS管N6的漏极、第六MOS管N6的栅极、第七MOS管N7的栅极相互连接，第六MOS管N6的源极、第七MOS管N7的源极分别接地，第六MOS管N6的漏极还连接第一参考电流源Iref1的一端，第七MOS管N7的漏极连接第一MOS管N1的源极；

其中，第六MOS管N6、第七MOS管N7均为N型MOS管，第一电流镜Imi1将第一参考电流源Iref1的输入电流转换为参考电压，采用本实施例中第一电流镜Imi1与幅度控制电路10的其他器件相配合，实现简单，稳定性高。

在其中一个实施例中，如图4所示，在上述的第一电流镜Imi1包括第六MOS管N6、第七MOS管N7的情况下，由于需要整个幅度控制电路10满足对称结构，第二电流镜Imi2可以包括第八MOS管P8、第九MOS管P9，第八MOS管P8的漏极、第八MOS管P8的栅极、第九MOS管P9的栅极相互连接，第八MOS管P8的源极、第九MOS管P9的源极分别连接是所述第二参考电流源的一端，所述第九MOS管的漏极连接所述反相放大器的电流偏置端，第八MOS管P8的漏极连接所述第四MOS管N4的漏极；

其中，第八MOS管P8、第九MOS管P9均为P型MOS管，本实施例中的第二电流镜Imi2结构简单，稳定性高。

在其中一个实施例中，如图4所示，在上述实施例的基础上，本实施例的幅度控制电路10还可以包括第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、滤波电阻R1，滤波电阻R1连接在第八MOS管P8的栅极和第九MOS管P9的栅极之间，第一电容器C1连接在运算放大器OP1的输出端和地之间，第二电容器C2连接在第八MOS管P8的源极和第九MOS管P9的栅极之间，第三电容器C3连接在第九MOS管P9的漏极和地之间，也就是说，运算放大器OP1的输出端经第一电容器C1后接地，第九MOS管P9的漏极经第三电容器C3后接地，第九MOS管P9(或者第八MOS管P8)的栅极经第八MOS管P8的源极、第八MOS管P8的漏极、第四MOS管N4的源极、第四MOS管N4的漏极后接地，第一电容器C1可以使得参考电压vrb的变化更加平稳，第二电容器C2、第三电容器C3、滤波电阻R1构成低通滤波电路，可以使得振荡电流Iosc平稳变化，有利于振荡环路的稳定。

在其中一个实施例中，如图5所示，本发明实施例的晶体振荡器，还可以包括微调电容阵列40，该微调电容阵列40包括第一引出端A、第二引出端B、控制端C，第一引出端A连接反相放大器20的输入端vin，第二引出端B连接反相放大器20的输出端vout，所述控制端连接外部的寄存器；

微调电容阵列40由外部的寄存器控制，微调电容阵列40的位数和电容值变化需求根据具体的频率调节范围和精度确定，微调电容阵列40接收到寄存器发出的寄存器控制信号，控制微调电容阵列40中的电容的通断(即是否接入电路)；

一般地，如图6所示，所述微调电容阵列包括第一电容阵列41、第二电容阵列42，第一电容阵列41、第二电容阵列42分别包括两个以上的并联的电容器，各电容器分别串联一个寄存器控制接口，各寄存器控制接口分别连接外部的寄存器，在图6中，是以第一电容阵列41包括电容器CL0～CL3、第二电容阵列42包括电容器CR0～CR3为例，以各电容器CL0～CL3、CR0～CR3分别串联一个寄存器控制接口BL0～BL3、BR0～BR3，各寄存器控制接口BL0～BL3、BR0～BR3分别连接外部的寄存器为例，但第一电容阵列41、第二电容阵列42的具体电路结构不限于此；

第一电容阵列41、第二电容阵列42的构成一般是相一致的，即第一电容阵列41、第二电容阵列42包括的电容器个数相同，电容器的电容值相一致，也就是说，若第一电容阵列41中包括一个某一电容值的电容器，则第二电容阵列42也同样包括一个该电容值的电容器；

寄存器控制接口BL0～BL3、BR0～BR3可以决定相应的电容器CL0、CL1、CL2、CL3和CR0、CR1、CR2、CR3是否接入反向放大器20的输入端vin和输出端vout，电容器CL0～CL3，CR0～CR3为二进制变化，CL0＝CR0＝0.5皮法，CL1＝CR1＝1皮法，CL2＝CR2＝2皮法，CL3＝CR3＝4皮法。左右端的电容变化为7.5皮法。一般石英晶体的负载电容要求为15皮法左右，则该4比特的微调电容阵列可以提供超过±20％的调整范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种晶体振荡器，其特征在于，包括幅度控制电路、反相放大器、反馈电阻，所述反相放大器的输出端连接所述幅度控制电路的输入端，所述幅度控制电路的输出端连接所述反相放大器的电流偏置端，所述反馈电阻的一端连接所述反相放大器的输入端，所述反馈电阻的另一端连接所述反相放大器的输出端。

2.根据权利要求1所述的晶体振荡器，其特征在于，所述幅度控制电路包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第一参考电流源、第二参考电流源、运算放大器、第一电流镜、第二电流镜；

所述第一MOS管的漏极、所述第一MOS管的栅极、所述第二MOS管的栅极、所述第三MOS管的源极、所述运算放大器的正端相互连接，所述第一MOS管的源极连接所述第一电流镜的输出端，所述第一电流镜的输入端连接所述第一参考电流源的一端，所述第一参考电流源的另一端分别连接所述第三MOS管的漏极、所述第二电流镜的输入端、所述第二参考电流源的一端，所述第二参考电流源的另一端分别连接所述第二MOS管的漏极、所述第三MOS管的栅极，所述第二电流镜的输出端连接所述反相放大器的电流偏置端，所述运算放大器的负端、所述运算放大器的输出端、所述第四MOS管的栅极、所述第五MOS管的漏极、所述第五MOS管的栅极相互连接，所述第四MOS管的源极接地，所述第四MOS管的漏极连接所述第二电流镜的接地端，所述第五MOS管的源极连接所述反相放大器的输出端。

3.根据权利要求2所述的晶体振荡器，其特征在于，所述第一电流镜包括第六MOS管、第七MOS管；

所述第六MOS管的漏极、所述第六MOS管的栅极、所述第七MOS管的栅极相互连接，所述第六MOS管的源极、所述第七MOS管的源极分别接地，所述第六MOS管的漏极还连接所述第一参考电流源的一端，所述第七MOS管的漏极连接所述第一MOS管的源极。

4.根据权利要求2或3所述的晶体振荡器，其特征在于，所述第二电流镜包括第八MOS管、第九MOS管；

所述第八MOS管的漏极、所述第八MOS管的栅极、所述第九MOS管的栅极相互连接，所述第八MOS管的源极、所述第九MOS管的源极分别连接是所述第二参考电流源的一端，所述第九MOS管的漏极连接所述反相放大器的电流偏置端，所述第八MOS管的漏极连接所述第四MOS管的漏极。

5.根据权利要求4所述的晶体振荡器，其特征在于，所述幅度控制电路还包括第一电容器、第二电容器、第三电容器、滤波电阻；

所述滤波电阻连接在所述第八MOS管的栅极和所述第九MOS管的栅极之间，所述第一电容器连接在所述运算放大器的输出端和地之间，所述第二电容器连接在所述第八MOS管的源极和所述第九MOS管的栅极之间，所述第三电容器连接在所述第九MOS管的漏极和地之间。

6.根据权利要求1所述的晶体振荡器，其特征在于，还包括微调电容阵列；

所述微调电容阵列包括第一引出端、第二引出端、控制端，所述第一引出端连接所述反相放大器的输入端，所述第二引出端连接所述反相放大器的输出端，所述控制端连接外部的寄存器。

7.根据权利要求6所述的晶体振荡器，其特征在于，所述微调电容阵列还包括第一电容阵列、第二电容阵列；

所述第一电容阵列、所述第二电容阵列分别包括两个以上的并联的电容器，各所述电容器分别串联一个寄存器控制接口，各所述寄存器控制接口分别连接外部的寄存器。