CN110557094A - 一种高可靠性低功耗时钟振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时钟振荡器，包括：放大器电路；第一电阻，所述第一电路连接在所述放大电路的两端；水晶晶体振荡电路，所述水晶晶体振荡电路与所述第一电阻耦合，并在输出端产生振荡输出；以及漏电流对策电路，漏电流对策电路连接到所述水晶晶体振荡电路的输入端，当所述输入端有漏电流时，漏电流对策电路提供所述漏电流的流动路径。

Description

一种高可靠性低功耗时钟振荡器

技术领域

本发明涉及时钟振荡器技术领域，具体而言，本发明涉及一种高可靠性低功耗时钟振荡器。

背景技术

在电子产品的实时时钟RTC(Real time clock)系统中需要精确的32.768KHz计时时钟。且RTC工作时一般都是使用电池。因此，对RTC电路系统要求低功耗设计。特别是32.768KHz水晶振荡器要求进行超低功耗设计。一些水晶振荡器厂家也专门开发了超低功耗水晶振荡器。对应的对于水晶振荡器放大电路也要求低功耗高可靠性设计。

水晶晶体振荡器是利用水晶晶体的压电效应制成的一种谐振器件，由于水晶晶体具有非常高的品质因数，因此水晶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示出一种典型的水晶振荡器放大电路。如图1所示，电容器C1，C2与水晶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。

然而，水晶振荡器的功耗和振荡稳定性由反相器和电阻Rf决定，当反相器的驱动能力强，且电阻Rf阻值较大是，振动器能稳定振荡，但功耗高。而当减小电阻Rf阻值和减小反相器驱动能力时，振荡器功耗小，但稳定性差甚至会不起振。例如当振荡器的输入、输出端口出现漏电流时会造成振荡器停振。因此，本领域需要一种高可靠性低功耗时钟振荡器。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，根据本发明的一个实施例，提供一种时钟振荡器，包括：

放大器电路；

第一电阻，所述第一电路连接在所述放大电路的两端；

水晶晶体振荡电路，所述水晶晶体振荡电路与所述第一电阻耦合，并在输出端产生振荡输出；以及

漏电流对策电路，漏电流对策电路连接到所述水晶晶体振荡电路的输入端，当所述输入端有漏电流时，漏电流对策电路提供所述漏电流的流动路径。

在本发明的一个实施例中，所述放大器电路是第一晶体管，第一晶体管的源级与第一电流源相连，第一晶体管的漏极接地，所述第一电阻连接在第一晶体管的源级和栅极之间。

在本发明的一个实施例中，所述源级与栅极之间的直流电压差为零。

在本发明的一个实施例中，该时钟振荡器还包括第一电容，所述第一电容连接在所述输入端与所述第一晶体管的栅极之间。

在本发明的一个实施例中，所述第一电容起到割直通交作用，切断输入端漏电流对振荡器性能的影响但振荡的交流信号能通过该电容到达振荡器的输入端，使晶振电路正常工作。

在本发明的一个实施例中，所述漏电流对策电路包括第二电流源、第二电阻和第二晶体管，所述第二电流源与所述第二晶体管的源级相连，所述第二晶体管的漏极接地，所述第二电阻连接在所述第二晶体管的源级和输入端之间。

在本发明的一个实施例中，该时钟振荡器还包括：

第一二极管，其正极与电源相连，负极连接到输入端；以及

第二二极管，其正极连接到输入端，负极接地。

在本发明的一个实施例中，所述漏电流的电流路径为从第二电流源经由第二电阻、第二二极管至接地端；或者从第一二极管流经第二电阻、经第二晶体管至接地端。

在本发明的一个实施例中，该时钟振荡器还包括：

第三二极管，其正极与电源相连，负极连接到输出端；以及

第四二极管，其正极连接到输出端，负极接地。

在本发明的一个实施例中，所述水晶晶体振荡电路包括水晶晶体、第二电容和第三电容构成谐振电路，第二电容和第三电容的一端分别连接水晶晶体，第二电容和第三电容的另一端分别接地，水晶晶体的两端分别为输入端和输出端。

在本发明公开的水晶振荡器的电路中，使用电阻进行通直隔交以及使用电容来通交隔直。通过隔直电容连接到晶体管的栅极，隔直电容可以起到滤波作用，使晶振输出信号电流变得平滑，振荡更加稳定。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出一种典型的水晶振荡器放大电路。

图2示出水晶振荡器的电路图。

图3示出漏电流与源级电压、栅极电压及电压差之间的关系图。

图4示出根据本发明的一个实施例的改进的水晶振荡器电路的电路图。

图5示出图4所示电路中漏电流与源级电压、栅极电压及电压差之间的关系图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

图2示出水晶振荡器的电路图。在本发明的实施例中，如图2所示，当电流源201向放大器晶体管202提供电流。电流源201与放大器晶体管202的源级相连。放大器晶体管202的漏极接地。电阻203作为反馈电阻，连接在放大器晶体管202的源级和栅极之间。水晶晶体207、电容206和电容208构成谐振电路。电容206和电容208的一端分别连接水晶晶体207。电容206和电容208的另一端分别接地。水晶晶体207与电阻203并联，连接在放大器晶体管202的源级和栅极之间。

在图2所示的水晶振荡器的电路还具有输入端和输出端。输入端为放大器晶体管202的栅极、水晶晶体207的一端和电阻203的一端的连接节点。二极管204的正极与电源相连，负极连接到到输入端。二极管205的正极连接到输入端，负极接地。输出端为放大器晶体管202的源级、水晶晶体207的另一端和电阻203的另一端的连接节点。二极管209的正极与电源相连，负极连接到到输出端。二极管210的正极连接到输出端，负极接地。

当输入端有漏电流的情况下，该电流只能通过电阻203由源级提供，即，漏电流的电流路径为从源级经由电阻203、二极管205流入接地端。这样，假设漏电流为20nA。电阻203位20MΩ，在该电阻上会产生0.4V的压降。直接导致源级与栅极的电压会相差0.4V，致使放大电路的增益下降，不能对信号进行放大。在水晶振荡器电路上的表现就是不能起振或停振。

图3示出漏电流与源级电压、栅极电压及电压差之间的关系图。从图3可以看出，当输入端的漏电流-30nA to 30nA(负电流表示电流是从输入端的电源注入电流)变化时。栅极电压曲线301线性增加，源级电压曲线302不变，而源级电压与栅极电压差值曲线303线性增加。源级电压与栅极电压差值的变化为：-0.5V to 0.5V。这样会导致反相放大器的增益急剧下降，使振荡器不能正常振荡。

为了解决漏电流的问题，本发明对水晶振荡器的电路进行改进，在输入增加漏电流对策电路。图4示出根据本发明的一个实施例的改进的水晶振荡器电路的电路图。当电流源401向放大器晶体管402提供电流。电流源401与放大器晶体管402的源级相连。放大器晶体管402的漏极接地。电阻403作为反馈电阻，连接在放大器晶体管402的源级和栅极之间。水晶晶体407、电容406和电容408构成谐振电路。电容406和电容408的一端分别连接水晶晶体407。电容406和电容408的另一端分别接地。水晶晶体407的一端与放大器晶体管402的源级及电阻403的一端相连。水晶晶体407的另一端与电容411的一端相连。电容411的另一端与放大器晶体管402的栅极级及电阻403的另一端相连。

在图4所示的水晶振荡器的电路还具有输入端和输出端。输入端为水晶晶体407的一端和电容411的一端的连接节点。二极管404的正极与电源相连，负极连接到输入端。二极管405的正极连接到输入端，负极接地。输出端为放大器晶体管402的源级、水晶晶体407的另一端和电阻403的另一端的连接节点。二极管409的正极与电源相连，负极连接到到输出端。二极管410的正极连接到输出端，负极接地。

水晶振荡器的电路的输入端处还连接有漏电流对策电路420。漏电流对策电路420包括第二电流源412、电阻413和晶体管414。第二电流源412向晶体管414提供电流。第二电流源412与晶体管414的源级相连。晶体管414的漏极接地。电阻413连接在晶体管414的源级和输入端之间。

当输入端有漏电流的情况下，该漏电流由漏电流对策电路420来提供，即，漏电流的电流路径为从电流源412经由电阻413、二极管405至接地端。或者或者从二极管404流经电阻413、经晶体管414至接地端。这样，漏电流不会流经放大器的反馈电阻403。因此，在晶体管402的源级与栅极之间不会形成电压差，不会导致放大器增益减小。可以使振荡器在低功耗情况也能保持可靠振荡。

图5示出图4所示电路中漏电流与源级电压、栅极电压及电压差之间的关系图。从图5可以看出，栅极电压曲线501线性和源级电压曲线502相互重叠并保持为水平线，而源级电压与栅极电压差值曲线503保持为0。增加漏电流对策电路后，当漏电流从-30nA to 30nA变化时，不会影响到栅极电压曲线501线性和源级电压曲线502的电压值，源级电压与栅极直流电压差值差始终为0。因此不会影响到反相放大器的工作点及增益。所以，该对策电路能完全消除输入端漏电流的影响。

在本发明公开的水晶振荡器的电路中，使用电阻413进行通直隔交以及使用电容411来通交隔直。通过隔直电容411连接到晶体管402的栅极，隔直电容411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。

在本发明的其他实施例中，可以对水晶振荡器的放大器电路进行修改，使用其他类型的放大电路。因此本发明的保护范围不限于上述实施例中所述的电路结构。例如，漏电流对策电路可以连接答其他水晶振荡器的输入端，同样能到获得本发明的有益效果。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (10)

1.一种时钟振荡器，包括：

放大器电路；

第一电阻，所述第一电路连接在所述放大电路的两端；

水晶晶体振荡电路，所述水晶晶体振荡电路与所述第一电阻耦合，并在输出端产生振荡输出；以及漏电流对策电路，漏电流对策电路连接到所述水晶晶体振荡电路的输入端，当所述输入端有漏电流时，漏电流对策电路提供所述漏电流的流动路径。

2.如权利要求1所述的时钟振荡器，其特征在于，所述放大器电路是第一晶体管，第一晶体管的源级与第一电流源相连，第一晶体管的漏极接地，所述第一电阻连接在第一晶体管的源级和栅极之间。

3.如权利要求2所述的时钟振荡器，其特征在于，所述源级与栅极之间的直流电压差为零。

4.如权利要求2所述的时钟振荡器，其特征在于，还包括第一电容，所述第一电容连接在所述输入端与所述第一晶体管的栅极之间。

5.如权利要求4所述的时钟振荡器，其特征在于，所述第一电容起到割直通交作用，切断输入端漏电流对振荡器性能的影响，但振荡的交流信号能通过该电容到达振荡器的输入端，使晶振电路正常工作。

6.如权利要求1所述的时钟振荡器，其特征在于，所述漏电流对策电路包括第二电流源、第二电阻和第二晶体管，所述第二电流源与所述第二晶体管的源级相连，所述第二晶体管的漏极接地，所述第二电阻连接在所述第二晶体管的源级和输入端之间。

7.如权利要求6所述的时钟振荡器，其特征在于，还包括：

第一二极管，其正极与电源相连，负极连接到输入端；以及

第二二极管，其正极连接到输入端，负极接地。

8.如权利要求7所述的时钟振荡器，其特征在于，所述漏电流的电流路径为从第二电流源经由第二电阻、第二二极管至接地端；或者从第一二极管流经第二电阻、经第二晶体管至接地端。

9.如权利要求1所述的时钟振荡器，其特征在于，还包括：

第三二极管，其正极与电源相连，负极连接到输出端；以及

第四二极管，其正极连接到输出端，负极接地。

10.如权利要求1所述的时钟振荡器，其特征在于，所述水晶晶体振荡电路包括水晶晶体、第二电容和第三电容构成谐振电路，第二电容和第三电容的一端分别连接水晶晶体，第二电容和第三电容的另一端分别接地，水晶晶体的两端分别为输入端和输出端。