CN109274336B - 一种超低电压超低功耗的晶体振荡器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超低电压超低功耗的晶体振荡器电路架构，主要包括双跨导晶振主电路、幅度控制辅助电路和输出驱动辅助电路。其中所述双跨导晶振主电路包括输入管、偏置输入管、放大器反馈电阻和桥接电容，能实现小面积和全MOS管及超低电压超低功耗；其中所述幅度控制辅助电路实现幅度控制；其中所述输出驱动辅助电路实现轨对轨的全摆幅输出，直接作为前端双跨导晶振模拟模块和数字模块的接口电路。本发明可解决现有技术中功耗较大和大电阻大面积等缺点，实现一种超低电压超低功耗的的全MOS自偏置晶体振荡器。
Description
技术领域
本发明专利涉及电子领域，尤其是涉及一种超低电压超低功耗的晶体振荡器电路架构。
背景技术
在集成电路实现中，微处理器需要时钟，时序电路也需要时钟。而时钟必须要采用振荡器；时钟作为电路系统的频率参考，用晶体搭建振荡器电路作为频率参考时精度最高，很容易达到0.1%的精度。
对于晶体振荡器电路，主要有两种结构。一种是固定电流偏置的晶体振荡器电路，如图1所示，其缺点是可控性较差以及功耗较大；一种是自偏置的晶体振荡器电路，如图2所示，通过幅度控制电路来实现较小的电流，其缺点是需要大电阻导致面积较大。
发明内容
为了解决如上缺点，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种面积小和功耗更低、电源电压更低的晶体振荡器电路架构。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供了一种超低电压超低功耗的的全MOS自偏置晶体振荡器电路，如图3所示。其包括晶振、负载电容、双跨导晶振主电路、幅度控制辅助电路和输出驱动辅助电路。
其中所述双跨导晶振主电路包括输入管N1、偏置输入管P1、放大器反馈电阻RF_AMP1和桥接电容CP。简单低功耗放大器构成高阻电阻使用，偏置输入管直流点，实现小面积和全MOS管及超低电压晶体振荡器电路；电容CP桥接在输入管N1和偏置输入管P1的栅极，使得跨导放大约两倍，以及幅度控制电路的使用，实现超低功耗晶体振荡器电路。
其中所述幅度控制辅助电路包括第二放大管N2、第二偏置管P2、第二放大器反馈电容RF_AMP2和第三放大管N3、第三偏置管P3、第三放大器反馈电容RF_AMP3，还包括第一分压电容CT1、第二分压电容CT2和第二滤波电容C2和第三滤波电容C3。通过调节第一分压电容CT1和第二分压电容CT2的比例，来确定第二放大管N2所接收到的幅度；再通过第二放大管N2-第三放大管N3-第三偏置管P3-第二偏置管P2的环路反馈来得到实现幅度控制。
其中所述输出驱动辅助电路包括第四输出放大管N4、第四输出偏置管P4和反相器INV1。通过第四输出放大管N4连接在第一输入管N1的栅极和第四输出偏置管P4连接在第一偏置输入管P1的栅极，来实现轨对轨的全摆幅输出。
附图说明
附图1是固定电流偏置的晶体振荡器原理图；
附图2是自偏置的晶体振荡器原理图；
附图3是超低电压超低功耗的晶体振荡器原理图；
附图4是简单低功耗放大器原理图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明专利的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
图3是晶体振荡器的结构示意图，包括晶振Z、负载电容CQ1和CQ2、双跨导晶振主电路201、幅度控制辅助电路202和输出驱动辅助电路203。
1）双跨导晶振电路201包括MOS管P1和N1、放大器反馈电阻RF_AMP1和桥接电容CP。工作原理简述如下：晶振电路振荡时在Q1点形成正弦波信号，通过电容CP耦合作用到P1管的栅极，即形成双跨导gmp和gmn效应；如果设置gmp与gmn相等，那么相当于之前的gmn跨导提高了2倍。
对于一般晶振电路，为了实现稳定的振荡工作，临界跨导必须满足
上述公式中的ωm为振荡频率，Rm晶体内部等效电阻，CQ1与CQ2为负载电容。对于N1管工作在亚阈值区时，晶振电路正常工作的最小电流要求为
上述公式中的n为弱反型因子，UT为热力学电压；并且发现晶振电流直接与跨导成正比，如果采用本发明的双跨导晶振电路架构，那么晶振电路正常工作的最小电流减小一半即
对于简单低功耗放大器RF_AMP原理图见图4，当其作为缓冲器连接在Q1和Q2端时可以作为高阻电阻使用，其等效电阻值为
上述公式中的Gm为放大器RF_AMP的跨导；为了得到较大直流偏置反馈电阻，放大器偏置电流选为nA数量级，如6nA。
2）幅度控制电路202包括MOS管P2、P3、N2和N3，放大器反馈电阻RF_AMP2和RF_AMP3，电容CT1、CT2、C2和C3。通过调节CT1和CT2的比例，确定希望得到的Q1处正弦波幅度；通过P3- P2-N2-N3- P3的环路反馈控制后得到期望的Q1处正弦波振幅。
3）输出驱动电路203包括MOS管P4和N4，反相器INV1。对于MOS管P4和N4构成了对Q1的放大器，实现了轨对轨的全摆幅推挽输出；并且直接作为前端双跨导晶振模拟模块和后续数字电路模块之间的接口电路，而不必再使用波形整形电路或其他level shift电路。
上述双跨导晶振主电路和幅度控制辅助电路，可以实现超低功耗的性能指标，上述等效高阻放大器的采用，可以实现整体电路小面积、全MOS集成实现；通过观察图3可以发现，该电路的电源电压可低至
上述公式中的VTH为阈值电压，VDS为漏源电压；当然最小的电源电压数值随着工艺的不同而不同。
对于采用华宏工艺来实现本发明的晶振电路，测试发现电源电压可以工作到1.4V，工作电流约为120nA（不考虑BIAS电路功耗）；其中双跨导晶振主电路和幅度控制辅助电路消耗电流50nA左右，输出驱动辅助电路消耗电流50nA左右，三个运放消耗电流20nA左右。
所以本发明实施例提供的新型晶体振荡器电路具有超低电压、超低功耗和全MOS自偏置等优点。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (2)
1.一种超低电压超低功耗晶体振荡器电路，包括晶振Z，第一负载电容CQ1和第二负载电容CQ2、输出驱动辅助电路和幅度控制辅助电路；
第一负载电容CQ1和第二负载电容CQ2一端接地，第二负载电容CQ2另一端与晶振Z连接，第一负载电容CQ1另一端与晶振Z连接；
输出驱动辅助电路包括第四放大管N4、第四偏置管P4和反相器INV1；
幅度控制辅助电路包括第二放大管N2、第二偏置管P2、第二放大器反馈电阻RF_AMP2、第三放大管N3、第三偏置管P3、第三放大器反馈电阻RF_AMP3、第一分压电容CT1、第二分压电容CT2、第二滤波电容C2和第三滤波电容C3；
第四偏置管P4栅极接第二偏置管P2栅极、第三偏置管P3栅极和第三偏置管P3漏极；源极接电源，第四偏置管P4漏极接第四放大管N4漏极和反相器INV1输入端；
第四放大管N4栅极接晶振Z、第一负载电容CQ1正端和第一分压电容CT1正端，源极接地，漏极接第四偏置管P4漏极和反相器INV1输入端；
反相器INV1输出端接CLK；
第二偏置管P2栅极接第三偏置管P3栅极和第三偏置管P3漏极，源极接电源，漏极接第二放大器反馈电阻RF_AMP2输入端、第三放大器反馈电阻RF_AMP3输入端，第二放大管N2漏极和第二滤波电容C2正端；
第二放大管N2栅极接第二分压电容CT2正端、第二放大器反馈电阻RF_AMP2输出端和第一分压电容CT1负端，源极接地，漏极接第二偏置管P2漏极、第二放大器反馈电阻RF_AMP2输入端、第三放大器反馈电阻RF_AMP3输入端和第二滤波电容C2正端；
第二放大器反馈电阻RF_AMP2与第二放大管N2并联；
第二放大器反馈电阻RF_AMP2输入端接第二放大管N2漏极、第二放大管N2栅极、第二偏置管P2漏极、第三放大器反馈电阻RF_AMP3输入端和第二滤波电容C2正端；
第一分压电容CT1正端接第四放大管N4栅极、晶振Z一端， CT1负端接第二分压电容CT2正端、第二放大器反馈电阻RF_AMP2输出端和第二放大管N2栅极；
第二分压电容CT2正端接第一分压电容CT1负端、第二放大器反馈电阻RF_AMP2输出端和第二放大管N2栅极，CT2负端接地；
第二滤波电容C2负端接地，正端接第二放大管N2漏极、第二偏置管P2漏极、第二放大器反馈电阻RF_AMP2输入端和第三放大器反馈电阻RF_AMP3输入端；
第三放大器反馈电阻RF_AMP3输入端接第二放大管N2漏极、第二偏置管P2漏极、第二放大器反馈电阻RF_AMP2输入端和第二滤波电容C2正端；输出端接第三滤波电容C3正端和第三放大管N3栅极；
第三滤波电容C3正端接第三放大管N3栅极，负端接地；
其特征在于，还包括双跨导晶振主电路，双跨导晶振主电路包括第一放大管N1、第一偏置管P1、第一放大器反馈电阻RF_AMP1和桥接电容CP；
第一放大管N1与晶振Z并联，第一放大管N1漏极与晶振Z一端连接，栅极与晶振Z另一端、桥接电容CP正端、第一负载电容CQ1正端、第一分压电容CT1正端和第四放大管N4栅极连接； N1源极接地；
第一放大器反馈电阻RF_AMP1与第一放大管N1并联；第一放大器反馈电阻RF_AMP1输入端连接第一放大管N1漏极和第一偏置管P1漏极； RF_AMP1输出端与第一分压电容CT1正端、第四放大管N4栅极和第一放大管N1栅极连接；
第一偏置管P1栅极接第二偏置管P2栅极及第三偏置管P3栅极和漏极、桥接电容CP负端、第四偏置管P4栅极；第一偏置管P1源极接电源， P1漏极接N1漏极，桥接电容CP正端与第四放大管N4栅极和第一分压电容CT1正端连接。
2.根据权利要求1所述的一种超低电压超低功耗晶体振荡器电路，其特征在于，第一放大器反馈电阻RF_AMP1、第二放大器反馈电阻RF_AMP2和第三放大器反馈电阻RF_AMP3均为低功耗放大器构成电阻。
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