CN106374870B - 晶体振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种晶体振荡器，包括：晶体；晶体驱动电路，其包括：第一N型MOS管，向第一N型MOS管提供偏置电压的偏置电路，向晶体的一端XI提供正反馈的反馈电路以及向第一N型MOS管提供直流电流的偏置电流源，其中，第一N型MOS管向晶体提供振荡电压；限幅电路，限幅电路的一端与第一N型MOS管的漏极相连，另一端与电路电源的正极相连，限幅电路用于限制晶体的振荡信号的振荡幅度，限幅电路由第三N型MOS管或者第三P型MOS管或者第二电阻构成。该晶体振荡器能够限制晶体的振荡信号的振荡幅度，从而保护与晶体相连的负载。

Description

晶体振荡器
技术领域
本发明属于集成电路领域，特别涉及一种晶体振荡器。
背景技术
在现代通信系统中，晶体振荡器中的晶体因为它的独特的品质、高精度和高稳定度，而得到广泛的应用。晶体振荡器作为芯片的关键部件之一，在芯片设计中具有非常重要的作用。在大多数应用中一般都采用双端晶体作为振荡器的起振元件，但是随着消费类产品的竞争加剧，单端晶体振荡器越来越得到广泛应用。但是，对于传统的电容三点式单端振荡器电路来说，由于正反馈的存在，晶体的振荡波形的幅度将会越来越大，最终只能靠大信号时电路本身的非线性使振荡维持在一个稳定的幅度下，依靠这种方法得到的振荡信号的幅值有时候并不是我们所希望得到的，晶体的振荡波形幅度过大时，可能会造成和晶体连接的反相器被损坏。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种晶体振荡器，该晶体振荡器能够限制晶体的振荡信号的振荡幅度，从而保护与晶体相连的负载。
本发明提供的技术方案为：
一种晶体振荡器，包括：
晶体；
晶体驱动电路，其包括：第一N型MOS管，向所述第一N型MOS管提供偏置电压的偏置电路，向所述晶体的一端XI提供正反馈的反馈电路以及向所述第一N型MOS管提供直流电流的偏置电流源，其中，所述第一N型MOS管向所述晶体提供振荡电压；
限幅电路，所述限幅电路的一端与所述第一N型MOS管的漏极相连，另一端与电路电源的正极相连，所述限幅电路用于限制所述晶体的振荡信号的振荡幅度。
优选的是，所述的晶体振荡器，所述限幅电路为第三N型MOS管，所述第三N型MOS管的栅极和漏极短接且与所述电路电源的正极相连，所述第三N型MOS管的源极与所述第一N型MOS管的漏极相连。
优选的是，所述的晶体振荡器，所述限幅电路为第三P型MOS管，所述第三P型MOS管的栅极和漏极短接且与所述第一N型MOS管的漏极连接，所述第三P型MOS管的源极与所述电路电源的正极相连。
优选的是，所述的晶体振荡器，所述限幅电路为第二电阻。
优选的是，所述的晶体振荡器，所述偏置电路包括第一电阻和与所述第一电阻一端相连的偏置电压VB1，所述第一电阻的另一端同时与所述第一N型MOS管的栅极和所述晶体的一端XI相连，所述晶体的另一端接地。
优选的是，所述的晶体振荡器，所述偏置电流源包括第二N型MOS管和与所述第二N型MOS管的栅极相连的偏置电压VB2，所述第二N型MOS管的源极接地，所述第二N型MOS管的漏极与所述第一N型MOS管的源极相连。
优选的是，所述的晶体振荡器，所述反馈电路包括第一电容和与所述第一电容一端相连的第二电容，所述第一电容的另一端同时与所述第一N型MOS管的栅极和所述晶体的一端XI连接，所述第二电容的另一端接地。
优选的是，所述的晶体振荡器，还包括反相器，其与所述晶体的一端XI相连，用于对晶体的振荡信号进行整形得到时钟信号。
优选的是，所述的晶体振荡器，所述晶体的振荡信号的振荡幅度稳定时，所述晶体的一端XI的电压最大值为：VDD-VGS3+VGS1，其中VDD为所述电路电源的电压值，VGS3为所述第三N型MOS管的栅极和源极之间的电压值，VGS1为所述第一N型MOS管的栅极和源极之间的电压值。
优选的是，所述的晶体振荡器所述晶体的振荡信号的振荡幅度稳定时，所述晶体的一端XI的电压最大值为：VDD-|VGS4|+VGS1，其中VDD为所述电路电源的电压值，VGS4为所述第三P型MOS管的栅极和源极之间的电压值，VGS1为所述第一N型MOS管的栅极和源极之间的电压值。
优选的是，所述的晶体振荡器，所述晶体的振荡信号的振荡幅度稳定时，所述晶体的一端XI的电压最大值为：VDD-I*R2+VGS1，其中VDD为所述电路电源的电压值，R2为所述第二电阻的电阻值，I为流过所述第二电阻的电流，VGS1为所述第一N型MOS管的栅极和源极之间的电压值。
本发明至少包括以下有益效果：由于设置了限幅电路，限幅电路的一端与第一N型MOS管的漏极相连，另一端与电路电源的正极相连，起到分压的作用，能够使晶体的一端XI的振荡信号的振荡幅度处于正常的范围内，从而保护与晶体相连的负载如反相器不被损坏。
附图说明
图1为本发明实施例一所述的晶体振荡器的电路图；
图2为本发明实施例一中没加限幅电路时晶体振荡器的输出波形图；
图3为本发明实施例一中添加限幅电路时晶体振荡器的输出波形图；
图4为本发明的另一实施例所述的晶体振荡器的电路图；
图5为本发明的又一实施例所述的晶体振荡器的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明技术方案的优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
如图1所示，本发明实施例一提供的晶体振荡器，包括：晶体X0；晶体驱动电路，其包括：第一N型MOS管M1，向所述第一N型MOS管M1提供偏置电压的偏置电路，向所述晶体X0的一端XI(External Interface，外部接口)提供正反馈的反馈电路以及向所述第一N型MOS管M1提供直流电流的偏置电流源，其中，所述第一N型MOS管M1向所述晶体提供振荡电压；限幅电路，所述限幅电路的一端与所述第一N型MOS管M1的漏极相连，另一端与电路电源VDD的正极相连，所述限幅电路用于限制所述晶体的振荡信号的振荡幅度。
其中，所述偏置电路包括第一电阻R1和与所述第一电阻R1一端相连的偏置电压VB1，所述第一电阻R1的另一端同时与所述第一N型MOS管M1的栅极和所述晶体X0的一端XI相连，所述晶体X0的另一端接地；所述偏置电流源包括第二N型MOS管M2和与所述第二N型MOS管M2的栅极相连的偏置电压VB2，所述第二N型MOS管M2的源极接地，所述第二N型MOS管M2的漏极与所述第一N型MOS管M1的源极相连。所述反馈电路包括第一电容C1和与所述第一电容C1一端相连的第二电容C2，所述第一电容C1的另一端同时与所述第一N型MOS管M1的栅极和所述晶体X0的一端XI连接，所述第二电容C2的另一端接地。反相器INV1，其与所述晶体的一端XI相连，用于对晶体X0的振荡信号进行整形得到时钟信号CLK。
需要说明的是，晶体X0的一端XI处的信号通过第一N型MOS管M1和第二N型MOS管M2形成的源极跟随器(source follower)在M1的源极端产生电压反馈VFB，电压反馈VFB通过C1和C2反馈到XI处，在XI处形成正反馈，从而激励X0振荡，所以M1管为振荡电路提供振荡所需能量。
其中，所述限幅电路为第三N型MOS管M3，所述第三N型MOS管M3的栅极和漏极短接且与所述电路电源VDD的正极相连，所述第三N型MOS管M3的源极与所述第一N型MOS管M1的漏极相连。所述晶体X0的振荡信号的振荡幅度稳定时，所述晶体的一端XI的电压最大值为：VDD-VGS3+VGS1，其中VDD为所述电路电源的电压值，VGS3为所述第三N型MOS管的栅极和源极之间的电压值，VGS1为所述第一N型MOS管的栅极和源极之间的电压值。
需要说明的是，如果图1中没有限幅电路，只能依靠电路自身的非线性来稳定XI处振荡信号的幅度，当XI的幅度较小时，第一N型MOS管M1工作在饱和区，M1的跨导gm较大，能够提供电流使晶体的振荡幅度越来越大，当XI的幅度越来越大时，反馈电压VFB也越来越高，当反馈电压VFB接近VDD时，M1管进入线性区，M1的跨导gm变小，不能提供足够的电流使振荡电路幅度继续增加，所以最终电路会稳定下来。振荡稳定时，VFB最高接近VDD，M1的栅极源极之间的电压为VGS1，那么晶体的一端XI的最高电压能够达到VFB+VGS1，也就是达到VDD+VGS1，甚至更高，这样的信号就有可能使XI的反相器击穿。如图1所示，设置限幅电路后，由于M3的栅极和漏极短接，M3的源极和M1的漏极相连，这样M3的源极VD的电压等于VDD-VGS3。当晶体的一端XI处的振荡信号幅度增大时，反馈电压VFB的幅度也增大，当VFB增大到接近VDD-VGS3时，M1进入线性区，M1的跨导gm减小，不能维持XI的振荡信号幅度继续增大，从而使XI的幅度达到一个稳定值。如果XI稳定时，VFB的最大值为VDD-VGS3，则XI稳定时的最大值为VDD-VGS3+VGS1。也可以通过调整M3的宽长比来调节VGS3的值，从而达到限制XI处的幅值的目的。
图2和图3分别是VDD等于1.8V时，没加限幅电路和添加限幅电路时晶体振荡器对应的输出波形。从波形可以看出，没加限幅电路的晶体振荡器的振荡波形最大值达到了2.6V，超出了电源电压范围，添加限幅电路的晶体振荡器的振荡波形的最大值是1.5V，所以该发明实施例提供的晶体振荡器很好的限制住了XI处的振荡波形的幅度。
如图4所示，本发明的另一实施例中，所述限幅电路为第三P型MOS管M4，所述第三P型MOS管M4的栅极和漏极短接且与所述第一N型MOS管M1的漏极连接，所述第三P型MOS管M4的源极与所述电路电源的正极相连。由于第三P型MOS管M4的源极连接VDD，漏极和栅极短接且与所述M1的漏极连接，所以所述晶体的振荡信号的振荡幅度稳定时，所述晶体的一端XI的电压最大值为：VDD-|VGS4|+VGS1，其中VDD为所述电路电源的电压值，VGS4为所述第三P型MOS管M4的栅极和源极之间的电压值，VGS1为所述第一N型MOS管的栅极和源极之间的电压值，调整第三P型MOS管M4的宽长比可以调节XI的振荡信号的振荡幅度，从而对XI振荡信号进行限幅。
如图5所示，本发明的又一实施例中，所述限幅电路为第二电阻R2，所述晶体的振荡信号的振荡幅度稳定时，所述晶体的一端XI的电压最大值为：VDD-I*R2+VGS1，其中VDD为所述电路电源的电压值，R2为所述第二电阻的电阻值，I为流过所述第二电阻的电流，VGS1为所述第一N型MOS管的栅极和源极之间的电压值，调整电阻R2的大小可以调节XI振荡信号的振荡幅值，从而对XI振荡信号进行限幅。
如上所述，由于设置了限幅电路，起到分压的作用，能够使晶体的一端XI的振荡信号的振荡幅度处于正常的范围内，从而保护与晶体相连的负载如反相器不被损坏。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种晶体振荡器，其特征在于，包括：
晶体；
晶体驱动电路，其包括：第一N型MOS管，向所述第一N型MOS管提供偏置电压的偏置电路，向所述晶体的一端XI提供正反馈的反馈电路以及向所述第一N型MOS管提供直流电流的偏置电流源，其中，所述第一N型MOS管向所述晶体提供振荡电压；
限幅电路，所述限幅电路的一端与所述第一N型MOS管的漏极相连，另一端与电路电源的正极相连，所述限幅电路用于限制所述晶体的振荡信号的振荡幅度；
其中，所述限幅电路为第三N型MOS管，所述第三N型MOS管的栅极和漏极短接且与所述电路电源的正极相连，所述第三N型MOS管的源极与所述第一N型MOS管的漏极相连；或者，
所述限幅电路为第三P型MOS管，所述第三P型MOS管的栅极和漏极短接且与所述第一N型MOS管的漏极连接，所述第三P型MOS管的源极与所述电路电源的正极相连；或者，所述限幅电路为第二电阻。
2.如权利要求1所述的晶体振荡器，其特征在于，所述偏置电路包括第一电阻和与所述第一电阻一端相连的偏置电压VB1，所述第一电阻的另一端同时与所述第一N型MOS管的栅极和所述晶体的一端XI相连，所述晶体的另一端接地。
3.如权利要求2所述的晶体振荡器，其特征在于，所述偏置电流源包括第二N型MOS管和与所述第二N型MOS管的栅极相连的偏置电压VB2，所述第二N型MOS管的源极接地，所述第二N型MOS管的漏极与所述第一N型MOS管的源极相连。
4.如权利要求3所述的晶体振荡器，其特征在于，所述反馈电路包括第一电容和与所述第一电容一端相连的第二电容，所述第一电容的另一端同时与所述第一N型MOS管的栅极和所述晶体的一端XI连接，所述第二电容的另一端接地。
5.如权利要求1所述的晶体振荡器，其特征在于，还包括反相器，其与所述晶体的一端XI相连，用于对晶体的振荡信号进行整形得到时钟信号。
6.如权利要求1所述的晶体振荡器，其特征在于，当所述限幅电路为第三N型MOS管，所述晶体的振荡信号的振荡幅度稳定时，所述晶体的一端XI的电压最大值为：VDD-VGS3+VGS1，其中VDD为所述电路电源的电压值，VGS3为所述第三N型MOS管的栅极和源极之间的电压值，VGS1为所述第一N型MOS管的栅极和源极之间的电压值。
7.如权利要求1所述的晶体振荡器，其特征在于，当所述限幅电路为第三P型MOS管，所述晶体的振荡信号的振荡幅度稳定时，所述晶体的一端XI的电压最大值为：VDD-|VGS4|+VGS1，其中VDD为所述电路电源的电压值，VGS4为所述第三P型MOS管的栅极和源极之间的电压值，VGS1为所述第一N型MOS管的栅极和源极之间的电压值。
8.如权利要求1所述的晶体振荡器，其特征在于，当所述限幅电路为第二电阻，所述晶体的振荡信号的振荡幅度稳定时，所述晶体的一端XI的电压最大值为：VDD-I*R2+VGS1，其中VDD为所述电路电源的电压值，R2为所述第二电阻的电阻值，I为流过所述第二电阻的电流，VGS1为所述第一N型MOS管的栅极和源极之间的电压值。
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