CN111884590A - 启动电路和振荡电路 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种启动电路和振荡电路，该启动电路包括：控制电路，用于生成第一控制信号；生成电路，连接所述控制电路，用于根据所述第一控制信号，生成变化的参考信号；比较电路，所述比较电路的反向输入端连接所述生成电路，正相输入端接入比较信号，所述比较电路用于将所述参考信号与所述比较信号比较后，输出按照预设频率变化的时钟信号。本申请实现了通过启动电路提供按照晶体谐振频率变化的时钟信号，以便于加速启动晶振电路。

Description

启动电路和振荡电路

技术领域

本申请涉及电路技术领域，具体而言，涉及一种启动电路和振荡电路。

背景技术

晶振电路具有稳定性好，随温度、电压等外部影响变化小的特点，在各类电路系统中都有广泛应用，通常用来作为精确的时钟源，可以为集成电路系统内部的RC(ResistorCapacitance，电阻-电容)时钟电路提供校准源，也可以作为射频系统的参考源，在蓝牙、5G等系统中更是必不可少的计时模块。

晶振电路需要片外晶体(crystal)器件，其震荡频率由晶体crystal的谐振频率决定。在传统的晶振电路中，晶体由一个较大的反相器驱动，在电路工作时晶体两端电压幅度缓慢变化，逐步变大，当振幅超过一定范围后晶振电路才起振，有时钟输出。而当晶体两端电压幅度进一步增大，晶振电路才逐渐频率稳定，晶体上振幅越大越有利于降低输出时钟的相位噪声。

晶振电路的一个常见的问题是电路起振太慢，以32M晶振电路为例，传统的晶振电路从开启到有时钟输出通常要数百us甚至ms级时间，这无疑会增加集成电路系统的整体功耗。现在也有一些快速启动的晶振电路，通常是通过增加晶振电路输出MOS管的驱动来实现加速启动，但是这样会大大增加整体功耗。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种启动电路和振荡电路，用以通过启动电路提供按照预设频率变化的时钟信号，以便于加速启动振荡电路。

本申请实施例第一方面提供了一种启动电路，包括：控制电路，用于生成第一控制信号；生成电路，连接所述控制电路，用于根据所述第一控制信号，生成变化的参考信号；比较电路，所述比较电路的反向输入端连接所述生成电路，正相输入端接入比较信号，所述比较电路用于将所述参考信号与所述比较信号比较后，输出按照预设频率变化的时钟信号。

于一实施例中，所述生成电路包括：第一电阻，与第一开关串联，所述第一开关用于控制所述第一电阻的通电状态；调谐电容器，连接所述第一电阻，所述调谐电容器与第二开关并联，所述第二开关用于控制所述调谐电容器的通电状态。

于一实施例中，所述控制电路连接所述第一开关，所述第一控制信号用于控制所述第一开关的断开或闭合。

于一实施例中，还包括：第二反相器，所述第二反相器的输入端连接所述控制电路，所述第二反相器的输出端连接所述第二开关，所述第二反相器输出的第二控制信号用于控制所述第二开关的断开或闭合。

于一实施例中，当所述第一开关闭合，并且所述第二开关断开时，所述第一电阻和所述调谐电容器组成的所述生成电路，生成变化的所述参考信号。

于一实施例中，所述第一电阻为可调第一电阻；所述调谐电容器为可调电容器。

于一实施例中，还包括：第三反相器，所述第三反相器的输入端连接生成电路，所述第三反相器的输出端连接所述控制电路。

于一实施例中，所述比较电路包括：第一比较器，所述生成电路的输出端连接所述第一比较器的反向输入端，所述第一比较器的正向输入端接入第一比较信号；第二比较器，所述生成电路的输出端连接所述第二比较器的反向输入端，所述第二比较器的正向输入端接入第二比较信号；所述第一比较器和所述第二比较器交替工作时，生成按照所述预设频率变化的时钟信号。

于一实施例中，所述比较电路还包括：第一信号源，连接所述第一比较器的正向输入端，用于生成所述第一比较信号。

于一实施例中，所述比较电路还包括：第二信号源，连接所述第二比较器的正向输入端，用于生成所述第二比较信号。

于一实施例中，所述比较电路还包括：触发器，所述触发器的输入端分别连接所述第一比较器的输出端和所述第二比较器的输出端；所述触发器的输出端连接所述第一信号源，所述触发器输出的第一时钟信号用于控制所述第一信号源的断开或闭合。

于一实施例中，所述第一信号源包括：第一电流源，连接所述触发器的输出端；第一电容器，一端连接所述第一电流源，另一端接地。

于一实施例中，所述比较电路还包括：第一反相器，所述第一反相器的输入端连接所述触发器的输出端，所述第一反相器的输出端连接所述第二信号源，所述第一反相器输出的第二时钟信号用于控制所述第二信号源的断开或闭合。

于一实施例中，所述第二信号源包括：第二电流源，连接所述触发器的输出端；第二电容器，一端连接所述第二电流源，另一端接地。

本申请实施例第二方面提供了一种振荡电路，包括：本申请实施例第一方面及其任一实施例所述的启动电路；晶振电路，连接所述启动电路的所述比较电路的输出端，用于接入按照所述预设频率变化的时钟信号，所述预设频率为所述晶振电路的谐振频率。

于一实施例中，还包括：第三开关和第四开关，分别连接所述控制电路和所述晶振电路，所述控制电路输出的所述第一控制信号还用于控制所述第三开关和所述第四开关的断开或闭合。用以执行本申请实施例第一方面及其任一实施例的方法，以识别出单据信息的流向信息。

本申请提供的启动电路和振荡电路，通过控制电路生成第一控制信号，生成电路根据第一控制信号生成变化的参考信号，随后比较电路将参考信号与接入的比较信号进行比较后输出结果，比较电路的输出结果按照预设频率变化，形成时钟信号，该时钟信号输入振荡电路，可以使振荡电路快速启动，减少振荡电路的启动功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请一实施例的振荡电路的结构示意图；

图2为本申请一实施例的启动电路的结构示意图；

图3为本申请一实施例的启动电路的结构示意图；

图4为本申请一实施例的参考信号与第一时钟信号的时序变化示意图；

图5为本申请一实施例的启动电路输出时钟信号的频率变化示意图；

图6为本申请一实施例的关键节点的信号波形示意图。

附图标记：

1-振荡电路，10-启动电路，11-启动模块，111-生成电路，112-比较电路，12-控制电路，20-晶振电路，T0-反相器，R0-电阻，J0晶体，S1-第三开关，S2-第四开关，R1-第一电阻，K1-第一开关，C-调谐电容器，K2-第二开关，Q1-第一比较器，Q2-第二比较器，31-第一信号源，A1-第一电流源，C1-第一电容器，32-第二信号源，A2-第二电流源，C2-第二电容器，Q3-触发器，T1-第一反相器，T2-第二反相器，T3-第三反相器，第一控制信号startup_en，第二控制信号startup_enb，第一时钟信号clk0，第二时钟信号clk0_b，参考信号Vref，反馈信号flag，f0-晶体的谐振频率。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，本实施例提供一种振荡电路1，包括：启动电路10、晶振电路20第三开关S1和第四开关S2，其中：

启动电路10包括启动模块11和控制电路12，控制电路12通过第一控制信号startup_en和第二控制信号startup_enb来控制启动模块11生成第一时钟信号clk0和第二时钟信号clk0_b。启动模块11生成反馈信号flag输入至数字控制电路12，反馈信号flag可以用于数字控制电路12的开启和关闭。

晶振电路20包括：并联的晶体J0、电阻R0和反相器T0，其中晶体J0、电阻R0与反相器T0的输入端连接节点XI，晶体J0、电阻R0与反相器T0的输出端连接节点XO。晶振电路20通过第三开关S1和第四开关S2与启动电路10连接，在晶振电路20快速启动阶段，第三开关S1和第四快关导通，将启动模块11的第一时钟信号clk0和第二时钟信号clk0_b施加于晶体J0两端，快速提高晶体J0内的电流幅度，从而加快晶振电路20的启动过程。

于一实施例中，晶振电路20，连接启动电路10的比较电路112的输出端，用于接入按照预设频率变化的时钟信号，预设频率为晶振电路20中晶体J0的谐振频率f0。

于一实施例中，第三开关S1和第四开关S2分别连接控制电路12，控制电路12输出的第一控制信号startup_en还可以用于控制第三开关S1和第四开关S2的断开或闭合。

如图2所示，本实施例提供一种启动电路10，可用于如图1所示的振荡电路1中，以便于加速启动振荡电路1中的晶振电路20。该启动电路10包括：控制电路12和启动模块11，其中启动模块11可以包括生成电路111和比较电路112。

控制电路12，可以藉由数字控制器来实现，用于生成第一控制信号startup_en。生成电路111连接控制电路12，用于根据第一控制信号startup_en，生成变化的参考信号vref。比较电路112的反向输入端连接生成电路111，正相输入端接入比较信号，比较电路112用于将参考信号vref与比较信号比较后，输出按照预设频率变化的时钟信号。

于一实施例中，启动模块11可以是普通的时钟电路，可以是反相器链组成的环振时钟电路，也可以是常用的RC(电阻-电容)充放电时钟电路，这些时钟电路可以快速工作输出时钟信号。

于一实施例中，如图3所示，本实施例提供一种启动电路10，可用于如图1所示的振荡电路1中，以便于加速启动振荡电路1中的晶振电路20。此处以RC时钟电路作为启动模块11为例进行详细说明。生成电路111包括：第一电阻R1、第一开关K1、调谐电容器C和第二开关K2，其中，第一电阻R1与第一开关K1串联，第一开关K1用于控制第一电阻R1的通电状态。调谐电容器C连接第一电阻R1，第二开关K2一端连接在第一电阻R1和调谐电容器C的连接点，第二开关K2另一端接地，第二开关K2用于控制调谐电容器C的通电状态。

于一实施例中，控制电路12连接第一开关K1，控制电路12生成的第一控制信号startup_en，可以用于控制第一开关K1的断开或闭合，比如第一控制信号startup_en为高电平时，控制第一开关K1闭合。

于一实施例中，还包括：第二反相器T2，第二反相器T2的输入端连接控制电路12，第二反相器T2的输出端连接第二开关K2，将第一控制信号startup_en输入至第二反相器T2后，第二反相器T2可以输出第二控制信号startup_enb，第二控制信号startup_enb可以用于控制第二开关K2的断开或闭合。

于一实施例中，第一控制信号startup_en为高电平时，控制第一开关K1闭合，此时第二控制信号startup_enb为低电平，可以控制第二开关K2断开，使得生成电路111开始工作，在第一电阻R1和调谐电容器C的连接点产生参考信号vref。可见参考信号vref是一个变化的参考电平。

于一实施例中，比较电路112包括：两路比较器，其中，生成电路111的输出端连接第一比较器Q1的反向输入端，第一比较器Q1的正向输入端接入第一比较信号。生成电路111的输出端连接第二比较器Q2的反向输入端，第二比较器Q2的正向输入端接入第二比较信号。第一比较器Q1和第二比较器Q2交替工作时，生成按照预设频率变化的时钟信号。

于一实施例中，比较电路112还包括：第一信号源31，连接第一比较器Q1的正向输入端，用于生成第一比较信号。

于一实施例中，第一信号源31可以由第一电流源A1和第一电容器C1组成，第一电流源A1连接第一比较器Q1的正向输入端，第一电容器C1的一端连接在第一电流源A1于第一比较器Q1的连接点，另一端接地。第一电流源A1可以产生第一比较信号。

于一实施例中，比较电路112还包括：第二信号源32，连接第二比较器Q2的正向输入端，用于生成第二比较信号。

于一实施例中，第二信号源32由第二电流源A2和第二电容器C2组成，第二电流源A2连接第二比较器Q2的正向输入端，第二电容器C2的一端连接第二电流源A2，另一端接地。第二电流源A2可以产生第二比较信号。

于一实施例中，比较电路112还包括：触发器Q3，触发器Q3的输入端分别连接第一比较器Q1的输出端和第二比较器Q2的输出端。其中触发器Q3可以是SRQ触发器Q3，第一比较器Q1的输出端可以连接触发器Q3的输入端S，第二比较器Q2的输出端可以连接触发器Q3的输入端R。

于一实施例中，触发器Q3的输出端Q连接第一信号源31，触发器Q3输出的第一时钟信号clk0可以用于控制第一信号源31的断开或闭合。比如第一时钟信号clk0为高电平时控制第一电流源A1闭合，使得第一信号源31产生第一比较信号。

于一实施例中，比较电路112还包括：第一反相器T1，第一反相器T1的输入端连接触发器Q3的输出端Q，触发器Q3输出的第一时钟信号clk0经过第一反相器T1后，第一反相器T1输出第二时钟信号clk0_b，第一反相器T1的输出端连接第二信号源32，第二时钟信号clk0_b用于控制第二信号源32的断开或闭合。比如，第二时钟信号clk0_b为高电平时，控制第二信号源32闭合，以使第二信号源32产生第二参考信号vref。如此也能使得第一比较器Q1与第二比较器Q2交替工作。

于一实施例中，如图4所示，参考信号vref与第一时钟信号clk0的时序示意图，当第一开关K1闭合，第二开关K2断开时，生成电路111生成参考信号vref，当参考信号vref电平较低时，输出第一时钟信号clk0的频率就较高，当参考信号vref逐渐上升，输出的第一时钟信号clk0的频率就逐渐变低。

于一实施例中，在晶振电路20的快速启动阶段，第一时钟信号clk0连接到晶体J0的XI端，第二时钟信号clk0_b连接到晶体J0的XO端，即晶体J0两端有一个频率变化的时钟频率，当该变化的时钟频率变为晶体J0的谐振频率f0时，晶体J0上的电流ixo的幅度发生突变，将大大提高晶振的起振时间。为了保证启动电路10芯片的时钟频率在各种情况下都能扫过晶体J0的谐振频率f0，需要对启动电路10输出的时钟频率的最大值fmax和最小值fmin合理取值，最大值fmax可以为2倍的晶体J0谐振频率f0，最小值fmin可以为0.1*f0。

于一实施例中，第一电阻R1为可调第一电阻R1。调谐电容器C为可调电容器。如图5所示，通过调节第一电阻R1和调谐电容器C的值，可以改变快速启动阶段第一时钟信号clk0的频率变化的斜率，其斜率越小，则电流ixo在谐振频率f0处跳变的幅度越大。在固定的最大值fmax和最小值fmin的条件下，第一时钟信号clk0的频率变化斜率越小，则整个扫描过程越慢，实际应用中，可以根据电路实际情况选择。

于一实施例中，还包括：第三反相器T3，第三反相器T3的输入端连接在生成电路111中第一电阻R1与调谐电容器C的连接点，第三反相器T3的输出端连接控制电路12。生成电路111产生的参考信号vref经过第三反相器T3后，第三反相器T3输出反馈信号flag，该反馈信号flag可以使控制电路12输出的第一控制信号startup_en变为低电平。第三反相器T3为迟滞反相器。

于一实施例中，如图6所示，提供了图3中第一控制信号startup_en、参考信号vref、反馈信号flag、第一时钟信号clk0在节点XO的频率和节点XI的信号波形变化时序图。在第一控制信号startup_en变高后，生成电路111的参考信号vref节点开始充电，其电平逐渐升高，输出第一时钟信号clk0的频率随着参考信号vref的变化而从高变低。在第一控制信号startup_en为高电平的阶段，第一时钟信号clk0和第二时钟信号clk0_b直接连接到晶体J0两端，所以晶体J0在XI端的电平在第一控制信号startup_en＝1时即为第一时钟信号clk0。

于一实施例中，在启动电路10工作过程中，可以将参考信号vref送至第三反相器T3得到反馈信号flag，该第三反相器T3的上翻阈值低于下翻阈值。在快速启动初始阶段，参考信号为高电平，当参考信号vref逐渐升高，超过第三反相器T3的下翻阈值时反馈信号flag变为低电平。随后反馈信号flag被送至控制电路12，该控制电路12在参考信号vref变为低电平后，延时一段时间后将第一控制信号startup_en变为低电平，此时表示快速启动过程已完成。随后晶体J0由晶振电路20驱动工作，节点XI上信号在直流工作点附近振荡，并逐渐提高幅度。由于在快速启动阶段，晶体J0上的电流ixo已经有突变，所以在快速启动结束后，晶体J0上的电压幅度会比普通晶振电路20启动时要大。以32M电路为例，采用本实施例的启动电路10后，晶振电路20的起振时间可以从1ms缩短为200us。

于一实施例中，在完成启动后，启动电路10可以关闭，启动电路10将不再产生功耗。通常启动电路10的功耗在数十uA，和晶振电路20工作的数百uA相比可以忽略。但是本实施例的启动电路10，可以缩短晶振稳定时间，降低整体功耗，提高电路相应速度。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种启动电路，其特征在于，包括：

控制电路，用于生成第一控制信号；

生成电路，连接所述控制电路，用于根据所述第一控制信号，生成变化的参考信号；

比较电路，所述比较电路的反向输入端连接所述生成电路，正相输入端接入比较信号，所述比较电路用于将所述参考信号与所述比较信号比较后，输出按照预设频率变化的时钟信号。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述生成电路包括：

第一电阻，与第一开关串联，所述第一开关用于控制所述第一电阻的通电状态；

调谐电容器，连接所述第一电阻，所述调谐电容器与第二开关并联，所述第二开关用于控制所述调谐电容器的通电状态；

所述控制电路连接所述第一开关，所述第一控制信号用于控制所述第一开关的断开或闭合。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，还包括：

第二反相器，所述第二反相器的输入端连接所述控制电路，所述第二反相器的输出端连接所述第二开关，所述第二反相器输出的第二控制信号用于控制所述第二开关的断开或闭合；

当所述第一开关闭合，并且所述第二开关断开时，所述第一电阻和所述调谐电容器组成的所述生成电路，生成变化的所述参考信号。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括：

第三反相器，所述第三反相器的输入端连接生成电路，所述第三反相器的输出端连接所述控制电路。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述比较电路包括：

第一比较器，所述生成电路的输出端连接所述第一比较器的反向输入端，所述第一比较器的正向输入端接入第一比较信号；

第二比较器，所述生成电路的输出端连接所述第二比较器的反向输入端，所述第二比较器的正向输入端接入第二比较信号；

所述第一比较器和所述第二比较器交替工作时，生成按照所述预设频率变化的时钟信号。

6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述比较电路还包括：

触发器，所述触发器的输入端分别连接所述第一比较器的输出端和所述第二比较器的输出端。

7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述比较电路还包括：

第一信号源，连接所述第一比较器的正向输入端，用于生成所述第一比较信号；所述触发器的输出端连接所述第一信号源，所述触发器输出的第一时钟信号用于控制所述第一信号源的断开或闭合；

所述第一信号源包括：

第一电流源，连接所述触发器的输出端；

第一电容器，一端连接所述第一电流源，另一端接地；

第二信号源，连接所述第二比较器的正向输入端，用于生成所述第二比较信号；

所述第二信号源包括：

第二电流源，连接所述触发器的输出端；

第二电容器，一端连接所述第二电流源，另一端接地。

8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述比较电路还包括：

第一反相器，所述第一反相器的输入端连接所述触发器的输出端，所述第一反相器的输出端连接所述第二信号源，所述第一反相器输出的第二时钟信号用于控制所述第二信号源的断开或闭合。

9.一种振荡电路，其特征在于，包括：如权利要求1至8中任一项所述的启动电路；

晶振电路，连接所述启动电路的所述比较电路的输出端，用于接入按照所述预设频率变化的时钟信号，所述预设频率为所述晶振电路的谐振频率。

10.根据权利要求9所述的电路，其特征在于，还包括：

第三开关和第四开关，分别连接所述控制电路和所述晶振电路，所述控制电路输出的所述第一控制信号还用于控制所述第三开关和所述第四开关的断开或闭合。

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