CN109818577A

CN109818577A - 一种soc晶振启动电路

Info

Publication number: CN109818577A
Application number: CN201910206416.1A
Authority: CN
Inventors: 杜凯; 许达文
Original assignee: Suzhou Shenzhi Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Suzhou Shengbang Yuanrong Information Security Technology Co ltd
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2019-05-28
Anticipated expiration: 2039-03-19
Also published as: CN109818577B

Abstract

本发明公开了一种SOC晶振启动电路，包括晶体振荡快速启动电路模块和输出判断电路模块，晶体振荡快速启动电路模块包括反相放大器I1和反相放大器I2、电阻R1、开关K1和开关K2，电阻R1和开关K1串联，串联之后的结构再和反相放大器I1并联，开关K2的一端连接反相放大器I1的输入，另一端连接反相放大器I1的输出，反相放大器I1的输出连接反相放大器I2的输入，反相放大器I1两端外接晶体振荡器；输出判断电路模块包括计数器CT、周期检测复位器TR、与门I3，反相放大器I2分别连接计数器CT、周期检测复位器TR和与门I3，周期检测复位器TR与计数器CT相连，计数器CT输出连接与门I3的输入。本发明能解决现有技术中SOC晶振启动过慢而带来的功耗大等问题。

Description

一种SOC晶振启动电路

技术领域

本发明属于集成电路设计领域，更具体地说，涉及一种晶振快速启动及判定装置。

背景技术

由于石英晶体频率稳定，因此广泛用于各种时钟电路中；使用石英晶体进行振荡以产生时钟讯号的数位电路，几乎均使用皮尔斯震荡器电路，因为它电路简单，工作有效而稳定，目前很多集成芯片已内建反相器与反馈电阻，芯片外部只需接一个晶振或适当起振电容即可工作。

但是这种电路结构虽然简单，在性能方面还是存在一些问题，首先由于反馈电阻较大而造成起振时间较长，起振后何时达到稳定的频率难以确定，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；另外，因为其起振时间长，在某些电路应用短时间应用振荡器电路时，会造成额外的且不好确定的等待时间，在低功耗应用中会造成额外的待机功耗。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有的晶体振荡电路中起振时间长的问题，本发明提供一种SOC晶振启动电路。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：一种SOC晶振启动电路，包括晶体振荡快速启动电路模块，所述晶体振荡快速启动电路模块包括反相放大器I1和反相放大器I2、电阻R1、开关K1和开关K2，所述电阻R1和开关K1串联，电阻R1和开关K1串联之后的结构再和反相放大器I1并联，开关K2的一端接反相放大器I1的输入端，一端接反相放大器I1的输出端，在反相放大器I1的两端外接晶体振荡器，反相放大器I1的输出端连接反相放大器I2的输入端，所述反相放大器I1的翻转电压和反相放大器I2的翻转电压不相等。

在工作的时候，通过在外部给电路一个复位控制信号，使开关K2闭合，开关K1断开，反相放大器I1输入端和输出端短路，反相放大器I1输入端和输出端的电压为其翻转电压；然后使开关K1闭合，开关K2断开，这样XTAL_IN和XTAL_OUT引脚外接的晶体振荡器的电压直接在反相放大器I1的翻转电压点开始振荡并输出波形，迅速达到其稳定振荡所需的电压，避免了现有技术中晶体振荡器慢慢震荡才能达到稳定输出所需要的长时间振荡。

振荡波形幅度上来以后，热噪声、闪烁噪声、电源噪声等的影响相对变小，此时可根据噪声、振荡波形的稳定性要求，得到一个最低的振荡幅度要求，只要将反相放大器I1、I2的差值设定大于这个振荡幅度，输出的振荡波形的稳定就满足要求。实际设计时可根据经验来确定最低振荡幅度值，通过调节反相放大器I2的P型和N型MOS管的长宽比，可得到不同于I1的翻转电压；这样就可以实现稳定地输出振荡波形的目的。

进一步地，还包括输出判断电路模块，所述输出判断电路模块包括计数器CT、周期检测复位器TR、与门I3，所述反相放大器I2的输出分别连接计数器CT、周期检测复位器TR和与门I3，所述周期检测复位器TR与计数器CT相连，所述计数器CT的输出连接I3与门的输入端。输出判断电路模块用于判断晶体振荡快速启动电路模块是否处于正常的工作状态，当时钟有效稳定时，计数器计输出CLK_OK高电平信号给与门I3，与门I3输出有效稳定的时钟，显示当前晶体振荡快速启动电路模块处于正常的工作状态。

进一步地，所述计数器CT包括五个串联的D触发器。其用于统计反相放大器I2有效的时钟数。当时钟有效稳定，计数器计数到16后输出CLK_OK高电平信号给与门I3，与门I3输出有效稳定的时钟。

进一步地，所述周期检测复位器TR为低通滤波电路。当检测时钟周期大于应有的谐振周期时，周期检测复位器TR进行复位，用于排除异常的振荡模式。

进一步地，所述低通滤波电路为电阻R2和电容C1组成的低通滤波电路。

进一步地，所述电阻R2和电容C1组成的低通滤波电路还包括P-MOS管U1和U3， N-MOS管U2和U4，反相放大器I2的输出为整个周期检测复位器TR的输入，其和P-MOS 管U1的栅极、N-MOS管U2的栅极相连；P-MOS管U1的漏极、N-MOS管U2的漏极与电阻R2的一端相连；P-MOS管U1的源极、P-MOS管U3的源极与电源VDD相连；N-MOS 管U2的源极、N-MOS管U4的源极、电容C1的一端与地GND相连；电阻R2的另一端、电容C1的另一端、P-MOS管U3的栅极与N-MOS管U4的栅极相连；P-MOS管U3的漏极与N-MOS管U4的漏极相连。

进一步地，所述电阻R2和电容C1组成的低通滤波电路还包括P-MOS管U6，N-MOS 管U5和U7，电阻R3和电容C2，反相放大器I2的输出为整个周期检测复位器TR的输入，其与N-MOS管U5的栅极相连；电阻R3的一端、P-MOS管U6的源极与电源VDD相连；电阻R3的另一端、N-MOS管U5的漏极、电容C2的一端、P-MOS管U6的栅极与N-MOS 管U7的栅极相连；N-MOS管U5的源极、N-MOS管U7的源极、电容C2的另一端与地GND 相连；P-MOS管U6的漏极与N-MOS管U7的漏极相连。

进一步地，所述低通滤波电路为恒流源DC和电容C2组成的低通滤波电路。用恒流源代替电阻，与电阻电容组成的充电电路相比，对电容的充电时间更精确，从而确保低通滤波电路产生更精确的延时。

进一步地，所述恒流源DC和电容C2组成的低通滤波电路还包括P-MOS管U9，N-MOS管U8、U10，恒流源DC和电容C3，反相放大器I2的输出为整个周期检测复位器TR的输入，其与N-MOS管U8的栅极相连；，恒流源DC的正极、P-MOS管U9的源极与电源VDD相连；，恒流源的负极、N-MOS管U8的漏极、电容C3的一端、P-MOS管U9的栅极与N-MOS管 U10的栅极相连；N-MOS管U8的源极、N-MOS管U10的源极、电容C3的另一端与地GND 相连；P-MOS管U9的漏极与N-MOS管U10的漏极相连。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明能够提高晶振起振的启动速度；

(2)本发明能够确保晶振振荡的稳定；

(3)本发明结构简单，设计合理，易于制造。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为本发明的反向放大器的结构示意图；

图3为本发明的计数器CT的内部原理图；

图4为本发明的周期检测复位器TR的实施方式之一的内部原理图；

图5为本发明的周期检测复位器TR的实施方式之二的内部原理图；

图6为本发明的周期检测复位器TR的实施方式之三的内部原理图；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

如图1所示，一种SOC晶振启动电路，包括晶体振荡快速启动电路模块和输出判断电路模块，其中，晶体振荡快速启动电路模块包括两个同构的反相放大器I1和I2、电阻R1、开关K1和K2，电阻R1的一端和开关K1的一端相连，电阻R1的另一端接反相放大器I1的输入端，开关K1的另一端接反相放大器I1的输出端；开关K2的一端接反相放大器I1的输入端，另一端接反相放大器I1的输出端，反相放大器I1的输出端接反相放大器I2的输入端；晶体振荡快速启动电路模块通过XTAL_IN和XTAL_OUT引脚外接晶体振荡器。

反相放大器I2的翻转电压通过其P型、N型MOS管长宽比的设置，与反相放大器I1的翻转电压不相等，即存在差值。假设反相放大器I1、I2的电源电压是3.3V，当反相放大器I1的PMOS管长宽分别设置为3u/1u，NMOS管的长宽设置为1u/1u时，反相放大器I1的翻转电压约接近1.65V；如反相放大器I2的PMOS管长宽设置为2u/1u，NMOS管的长宽设置为 1u/1u时，则反相放大器I2的翻转电压是1.55V。实际振荡时，反相放大器I1的输出波形将以1.65V为中心出现振荡波形，当振荡幅度由0mV达到100mV时，此时刚好达到反相放大器I2的翻转电压，反相放大器I2才能输出振荡波形，而之前一直保持恒值。因此反相放大器I1、I2的翻转电压之差，决定了让反相放大器I2输出振荡波形时，反相放大器I1输出的最小电压，也就是XTAL_OUT处的振荡所需的最小电压。因此通过设置反相放大器I1、I2 的翻转电压的差值，就可以确定输出振荡波形所需要的最小振荡幅度。在振荡波形幅度变大以后，热噪声、闪烁噪声、电源噪声等的影响相对变小，从而频率稳定起来。此时可根据噪声、振荡波形的稳定性要求，得到一个最低的振荡幅度要求，只要将反相放大器I1、I2的差值设定大于这个振荡幅度，输出的振荡波形的稳定就满足要求。实际设计可根据经验来确定最低振荡幅度值。

在整个电路刚上电的时候，从外部给电路一个复位信号，使开关K2闭合，开关K1断开，反相放大器I1输入端和输出端短路，反相放大器I1输入端和输出端的电压为其翻转电压；然后使开关K1闭合，开关K2断开，这样XTAL_IN和XTAL_OUT引脚外接的晶体振荡器的电压直接在反相放大器I1的翻转电压点开始振荡并输出波形，迅速达到其稳定振荡所需的电压，避免了现有技术中晶体振荡器慢慢震荡才能达到稳定输出所需要的长时间振荡。

输出判断电路模块包括计数器CT、周期检测复位器TR、与门I3，其用于判断时钟周期是否有效，保证输出时钟质量。反相放大器I2的输出端分别连接计数器CT、周期检测复位器TR和与门I3，周期检测复位器TR的输出端连接计数器CT，计数器CT的输出端连接与门I3。计数器CT对反相放大器I2的输出时钟进行计数，当计数达到设定阈值时，输出CLK_OK 信号，CLK_OK信号连接与门I3的输入；反相放大器I2的输出端同时还连接周期检测复位器TR，周期检测复位器TR判断时钟周期是在合理范围之内，如超出会给计数器CT复位信号CLR。

反相放大器I2的输出同时还和与门I3连接，与门I3根据CLK_OK信号和反相放大器I2 的输出信号输出信号CLK，确保时钟的稳定、无干扰。

如图2所示，是反相放大器I1、I2的内部结构图，包括P-MOS管U11和N-MOS管U12，P-MOS管U11的源极接电源VDD，P-MOS管U11和N-MOS管U12的栅极接输入，P-MOS 管U11和N-MOS管U12的漏极相连并输出，N-MOS管U12的源极接地。在实施的时候，通过分别设定P-MOS管U11和N-MOS管U12的长宽比，可以分别得到反相放大器I1、I2 的翻转电压，反相放大器I1和I2的翻转电压不相等。

如图3所示，为计数器CT的内部电路，反向放大器I2输出接计数器CT，先采用四个D触发器串联成计数器，计数到16个CLK信号时，第五个D触发器输出CLK_OK信号。

如图4所示，为周期检测复位器TR的实施方式之一的内部原理图，该电路由两个P-MOS 管U1和U3，两个N-MOS管U2和U4，电阻R2和电容C1组成。反相放大器I2的输出为整个周期检测复位器TR的输入，它和P-MOS管U1的栅极、N-MOS管U2的栅极相连；P-MOS 管U1的漏极、N-MOS管U2的漏极与电阻R2的一端相连；P-MOS管U1的源极、P-MOS 管U3的源极与电源VDD相连；N-MOS管U2的源极、N-MOS管U4的源极、电容C1的一端与地GND相连；电阻R2的另一端、电容C1的另一端、P-MOS管U3的栅极与N-MOS 管U4的栅极相连；P-MOS管U3的漏极与N-MOS管U4的漏极相连输出周期检测复位信号。该电路主要利用电阻R2和电容C1进行低通滤波以产生较为准确的延时，电阻R1和电容C1组成一个充放电电路，当输入高电平时，P-MOS管U1关闭，N-MOS管U2导通，电容C1通过电阻R1放电；输入低电平时，N-MOS管U2关闭，P-MOS管U1导通，电容C1 通过电阻R2进行充电，当输入信号的频率低于低通滤波电路的设定频率时，输出信号的频率与输入频率相同，周期检测复位器TR对计数器CT进行复位；当输入信号的频率大于低通滤波电路的设定频率时，周期检测复位器TR输出低电平，计数器CT继续工作；从而保证输出的复位信号有效。

如图5所示，为周期检测复位器TR的实施方式之二的内部原理图。该电路由一个P-MOS 管U6，两个N-MOS管U5和U7，电阻R2和电容C1组成。反相放大器I2的输出为整个周期检测复位器TR的输入，其与N-MOS管U5的栅极相连；电阻R2的一端、P-MOS管U6 的源极与电源VDD相连；电阻R2的另一端、N-MOS管U5的漏极、电容C1的一端、P-MOS 管U6的栅极与N-MOS管U7的栅极相连；N-MOS管U5的源极、N-MOS管U7的源极、电容C1的另一端与地GND相连；P-MOS管U6的漏极与N-MOS管U7的漏极相连输出周期检测复位信号。

如图6所示，为周期检测复位器TR的实施方式之三的内部原理图，该电路由P-MOS管 U9，两个N-MOS管U8、U10，，恒流源DC和,电容C3组成。反相放大器I2的输出为整个周期检测复位器TR的输入，其与N-MOS管U8的栅极相连；恒流源DC的正极、P-MOS管 U9的源极与电源VDD相连；，恒流源的负极、N-MOS管U8的漏极、电容C3的一端、P-MOS 管U9的栅极与N-MOS管U10的栅极相连；N-MOS管U8的源极、N-MOS管U10的源极、电容C3的另一端与地GND相连；P-MOS管U9的漏极与N-MOS管U10的漏极相连输出周期检测复位信号。该电路主要利用，恒流源DC为电容C3充电产生准确的延时。与电阻电容组成的充电电路相比，充电时间更精确。从而确保低通滤波电路产生更准确的延时。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims

1.一种SOC晶振启动电路，其特征在于：包括晶体振荡快速启动电路模块，所述晶体振荡快速启动电路模块包括反相放大器I1、反相放大器I2、电阻R1、开关K1和K2；所述电阻R1和开关K1串联，电阻R1和开关K1串联之后的结构与反相放大器I1并联，开关K2的两端分别接反相放大器I1的输入端、输出端，所述反相放大器I1的两端外接晶体振荡器，反相放大器I1的输出端连接反相放大器I2的输入端，所述反相放大器I1的翻转电压和反相放大器I2的翻转电压不相等。

2.根据权利要求1所述的SOC晶振启动电路，其特征在于：还包括输出判断电路模块，所述输出判断电路模块包括计数器CT、周期检测复位器TR、与门I3，所述反相放大器I2的输出分别连接计数器CT、周期检测复位器TR和与门I3，所述周期检测复位器TR与计数器CT相连，所述计数器CT的输出连接I3与门的输入端。

3.根据权利要求2所述的SOC晶振启动电路，其特征在于：所述计数器CT包括五个串联的D触发器。

4.根据权利要求2或3所述的SOC晶振启动电路，其特征在于：所述周期检测复位器TR为低通滤波电路。

5.根据权利要求4所述的SOC晶振启动电路，其特征在于：所述低通滤波电路为电阻R2和电容C1组成的低通滤波电路。

6.根据权利要求5所述的SOC晶振启动电路，其特征在于：所述电阻R2和电容C1组成的低通滤波电路还包括P-MOS管U1和U3，N-MOS管U2和U4，反相放大器I2的输出为整个周期检测复位器TR的输入，其和P-MOS管U1的栅极、N-MOS管U2的栅极相连；P-MOS管U1的漏极、N-MOS管U2的漏极与电阻R2的一端相连；P-MOS管U1的源极、P-MOS管U3的源极与电源VDD相连；N-MOS管U2的源极、N-MOS管U4的源极、电容C1的一端与地GND相连；电阻R2的另一端、电容C1的另一端、P-MOS管U3的栅极与N-MOS管U4的栅极相连；P-MOS管U3的漏极与N-MOS管U4的漏极相连。

7.根据权利要求5所述的SOC晶振启动电路，其特征在于：所述电阻R2和电容C1组成的低通滤波电路还包括P-MOS管U6，N-MOS管U5和U7，电阻R3和电容C2，反相放大器I2的输出为整个周期检测复位器TR的输入，其与N-MOS管U5的栅极相连；电阻R3的一端、P-MOS管U6的源极与电源VDD相连；电阻R3的另一端、N-MOS管U5的漏极、电容C2的一端、P-MOS管U6的栅极与N-MOS管U7的栅极相连；N-MOS管U5的源极、N-MOS管U7的源极、电容C2的另一端与地GND相连；P-MOS管U6的漏极与N-MOS管U7的漏极相连。

8.根据权利要求4所述的SOC晶振启动电路，其特征在于：所述低通滤波电路为恒流源DC和电容C2组成的低通滤波电路。

9.根据权利要求8所述的SOC晶振启动电路，其特征在于：所述恒流源DC和电容C2组成的低通滤波电路还包括P-MOS管U9，N-MOS管U8、U10，恒流源DC和电容C3，反相放大器I2的输出为整个周期检测复位器TR的输入，其与N-MOS管U8的栅极相连；，恒流源DC的正极、P-MOS管U9的源极与电源VDD相连；，恒流源的负极、N-MOS管U8的漏极、电容C3的一端、P-MOS管U9的栅极与N-MOS管U10的栅极相连；N-MOS管U8的源极、N-MOS管U10的源极、电容C3的另一端与地GND相连；P-MOS管U9的漏极与N-MOS管U10的漏极相连。