CN112600518A - 一种自动振幅控制型晶体振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自动振幅控制型晶体振荡器，包括受振幅控制的电流镜电路、反相器、第一脉冲开关、第二脉冲开关和偏置电阻，第一脉冲开关连接在电流镜电路中镜像管的源极，第二脉冲开关连接在反相器的接地端，通过设置第一脉冲开关的控制脉冲，使第一脉冲开关在反相器输出的正弦波处于峰值时闭合，反相器短时间为晶体充电，提高了能量注入效率；并且第一脉冲开关的控制脉冲和第二脉冲开关的控制脉冲反相且不重叠，使反相器的PMOS管和NMOS管不会同时开启，消除了反相器的短路功耗，从而降低了晶体振荡器的整体功耗。
Description
技术领域
本发明涉及晶体振荡器技术领域，特别是涉及一种自动振幅控制型晶体振荡器。
背景技术
在物联网应用中，如无线感知节点等超低功耗系统，长期处于休眠状态，通过实时时钟（RTC）唤醒工作，以此来延长设备的使用寿命。当系统处于休眠时，RTC消耗功耗占整个系统主要的功耗，因此需要一个超低功耗的振荡器作为RTC的时钟源。常见的振荡器主要为两类，一类是RC振荡器，功耗可达sub-nW级，但是精度比较低，对于需要互相发送和接受数据的系统来说，如无线感知节点与节点之间，时钟精度低会使得两个时钟基准产生时间误差，导致巨大的唤醒功耗浪费；另一类是晶体振荡器，其精度主要由外部晶体控制，能达10-9，但是功耗过高。因此，如何降低晶体振荡器功耗成为主要研究关键点。
为降低晶体振荡器功耗，自动振幅控制型晶体振荡器被提出，传统的自动振幅控制型晶体振荡器通过振幅反馈控制晶体充电电流，使得晶体维持低振幅振荡，降低了功耗，但是通过一个受振幅控制的电流镜为反相放大器提供偏置电流，电流镜本身消耗较高的功耗，并且长期处于对晶体充电状态，而实际上晶体维持振荡只需要很少部分能量，剩下的均被消耗掉，极大降低了晶体能量注入效率。并由于反相放大器输入端为正弦波，会使得反相器的PMOS和NMOS同时开启，产生大的短路功耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种自动振幅控制型晶体振荡器，以降低晶体振荡器的整体功耗。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种自动振幅控制型晶体振荡器，所述晶体振荡器包括：反相器、第一脉冲开关、第二脉冲开关、偏置电阻和受振幅控制的电流镜电路；
所述第一脉冲开关的一端与电源连接，所述第一脉冲开关的另一端与所述电流镜电路中镜像管的源极连接，所述电流镜电路中镜像管的漏极与所述反相器的电源输入端连接；
所述反相器的接地端与所述第二脉冲开关的一端连接，所述第二脉开关的另一端接地；所述反相器的信号电压输入端与所述偏置电阻的一端连接，所述反相器的信号电压输出端与所述偏置电阻的另一端连接；
所述偏置电阻的一端与晶体的一个电极连接，所述偏置电阻的另一端与晶体的另一个电极连接；
所述第一脉冲开关的控制脉冲的低电平持续时间和所述第二脉冲开关的控制脉冲的高电平持续时间不相同。
可选的，所述反相器包括：第一晶体管和第二晶体管；
所述第一晶体管的源极与所述第一晶体管的衬底连接，所述第一晶体管的漏极与所述第二晶体管的漏极连接，所述第一晶体管的栅极与所述第二晶体管的栅极连接，所述第二晶体管的源极与所述第二晶体管的衬底连接；
所述第一晶体管的源极作为反相器的电源输入端，所述第二晶体管的源极作为反相器的接地端，所述第一晶体管的栅极与所述第二晶体管的栅极的连接点作为反相器的信号电压输入端，所述第一晶体管的漏极与所述第二晶体管的漏极的连接点作为反相器的信号电压输出端。
可选的，所述第一晶体管为PMOS管，所述第二晶体管为NMOS管。
可选的，所述电流镜电路包括：电流基准源、输入管和镜像管；
所述输入管的源极与所述电源连接，所述输入管的漏极与所述电流基准源的输出端连接，所述输入管的栅极与所述输入管的漏极短接，并与所述镜像管的栅极连接；
所述镜像管的源极与所述第一脉冲开关的另一端连接，所述镜像管的漏极与所述反相器的电源输入端连接。
可选的，所述输入管和所述镜像管均为PMOS管。
可选的，所述镜像管与所述输入管的尺寸比与所述反相器的电流和所述电流镜电路的基准电流的比值相同。
可选的，所述第一脉冲开关为PMOS管，所述第二脉冲开关为NMOS管。
可选的，所述反相器工作在亚阈值区。
可选的，当所述第一脉冲开关的控制脉冲的电压为低电平时，所述第一脉冲开关闭合，所述反相器对所述晶体进行充电。
可选的，当所述第一脉冲开关的控制脉冲的电压为高电平时，所述第一脉冲开关断开，所述反相器停止对所述晶体进行充电。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明的目的是提供一种自动振幅控制型晶体振荡器，增加了第一脉冲开关和第二脉冲开关，第一脉冲开关连接在电流镜电路中镜像管的源极，第二脉冲开关连接在反相器的接地端，通过设置第一脉冲开关的控制脉冲，使第一脉冲开关在反相器输入的正弦波处于波谷时闭合，其余时间断开，仅短时间通过反相器对晶体充电，提高了能量注入效率；并且第一脉冲开关的控制脉冲和第二脉冲开关的控制脉冲反相且不重叠，使反相器的PMOS和NMOS管不会同时开启，消除了反相器的短路功耗，从而降低了晶体振荡器的整体功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种自动振幅控制型晶体振荡器的结构图；
图2为本发明提供的第一脉冲开关和第二脉冲开关的控制脉冲示意图。
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种自动振幅控制型晶体振荡器，以降低晶体振荡器的整体功耗。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供了一种自动振幅控制型晶体振荡器，如图1所示，晶体振荡器包括：受振幅控制的电流镜电路、反相器INV1、第一脉冲开关S1、第二脉冲开关S2和偏置电阻R1。
第一脉冲开关S1的一端与电源连接，第一脉冲开关S1的另一端与电流镜电路中镜像管的源极连接，电流镜电路中镜像管的漏极与反相器INV1的电源输入端连接。
反相器INV1的接地端与第二脉冲开关S2的一端连接，第二脉冲开关S2的另一端接地。反相器INV1的信号电压输入端与偏置电阻R1的一端连接，反相器INV1的信号电压输出端与偏置电阻R1的另一端连接。
偏置电阻R1的一端与晶体的一个电极连接，偏置电阻R1的另一端与晶体的另一个电极连接。偏置电阻R1用来为反相器INV1输入端即OSCIN节点提供DC偏置电压，一般在GΩ量级。
晶体Crystal的振幅大小受反相器INV1的电流控制，反相器INV1的电流越大，振幅越大，晶体消耗能量越多，反相器INV1本身消耗功耗也越大。通过振幅负反馈控制电流镜电流，进而控制镜像管M2电流即反相器INV1电流，当振幅增加时，电流镜电流下降，反相器INV1对晶体充电电流降低，振幅降低，晶体维持振荡在一个较低振幅。
第一脉冲开关S1为PMOS管，第二脉冲开关S2为NMOS管。本发明在传统自动振幅控制型晶体振荡器基础上，增加了第一脉冲开关S1和第二脉冲开关S2，通过高占空比脉冲控制第一脉冲开关S1的开启，短时间为晶体充电，提高了能量注入效率。
反相器INV1包括：第一晶体管和第二晶体管。
第一晶体管的源极与第一晶体管的衬底连接，第一晶体管的漏极与第二晶体管的漏极连接，第一晶体管的栅极与第二晶体管的栅极连接，第二晶体管的源极与第二晶体管的衬底连接。
第一晶体管的源极作为反相器INV1的电源输入端，第二晶体管的源极作为反相器INV1的接地端，第一晶体管的栅极与第二晶体管的栅极的连接点作为反相器INV1的信号电压输入端，第一晶体管的漏极与第二晶体管的漏极的连接点作为反相器INV1的信号电压输出端。
第一晶体管为PMOS管，第二晶体管为NMOS管。
图2示出了第一脉冲开关S1的控制脉冲VS1、第二脉冲开关S2的控制脉冲VS2、反相器INV1的信号电压输入端（OSCIN节点）正弦波以及反相器INV1的信号电压输出端（OSCout节点）正弦波的对应关系。第一脉冲开关S1的控制脉冲的低电平持续时间和第二脉冲开关S2的控制脉冲的高电平持续时间不相同，第一脉冲开关S1的控制脉冲的低电平对应OSCin的波谷。由于占空比是正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值，在图2中正脉冲的持续时间明显长于负脉冲的持续时间，因此第一脉冲开关S1的控制脉冲为高占空比控制脉冲。
高占空比控制脉冲使第一脉冲开关S1仅在OSCin波谷处开启短暂时间对晶体充电，即图2所示的VS1为低电平时，第一脉冲开关S1闭合，反相器INV1对晶体进行充电。低电平最小宽度由外部晶体等效电学参数及振幅决定。当充电能量等于晶体损耗能量时，能量注入效率达最高。
当第一脉冲开关S1的控制脉冲的电压为高电平时，第一脉冲开关S1断开，反相器INV1停止对晶体进行充电。
第一脉冲开关S1的控制脉冲和第二脉冲开关S2的控制脉冲反相且不重叠，使得反相器INV1的PMOS和NMOS不会同时开启，消除了反相放大器的短路功耗。
反相器INV1作为放大器，提供放大增益和180°相移，使得晶体起振。反相器INV1工作在亚阈值区（亚阈值区就是使MOS管沟道中形成反型层但是还没有形成强的反型层的阈值电压区间），极大降低了功耗，同时漏极电流基本只受栅源电压VGS控制，与漏极电压无关，因此振幅降低时，不仅降低晶体消耗能量，也降低反相器INV1本身消耗功耗。
电流镜电路包括：电流基准源、输入管M1和镜像管M2。输入管M1的源极与电源连接，输入管M1的漏极与电流基准源的输出端连接，输入管M1的栅极与漏极短接，并与镜像管M2的栅极连接。镜像管M2的源极与第一脉冲开关S1的另一端连接，镜像管M2的漏极与反相器INV1的电源输入端连接。
输入管M1和镜像管M2均为PMOS管。
图1中外部晶体的两个电机分别连接两个电容的一端，两个电容的另一端均接地。输入管M1的漏极与地之间的电流基准受振幅控制，箭头方向表示电流流向。
本发明根据电流镜电路中输入管M1和镜像管M2的参数，适当提高镜像管M2与输入管M1的尺寸比，镜像管M2与输入管M1的尺寸比与反相器INV1的电流和电流镜电路的基准电流的比值相同，将镜像管M2与输入管M1的尺寸比提高至百级量级，使得电流镜本身提供的参考电流降低，降低了电流镜电路消耗的功耗。
本发明基于传统的自动振幅控制型晶体振荡器，增加了脉冲控制开关，并提高电流输入管和电流镜镜像管的尺寸比，降低了短路功耗、电流镜电路功耗、电路额外损耗的能量，提高了晶体能量注入效率，实现了一种超低功耗脉冲控制的自动振幅控制型晶体振荡器。
本发明对自动振幅控制型晶体振荡器充电方式进行改进，增加了充放电控制开关，该控制开关可分别由PMOS和NMOS管实现。通过高占空比脉冲控制PMOS管开启，仅对晶体进行短时间充电，补充消耗的能量，减少额外损失的能量，提高了晶体能量注入效率；同时NMOS的控制脉冲和PMOS控制脉冲不重叠，使得INV1的PMOS管和NMOS管不会同时开启，消除短路功耗；提高电流复制管（镜像管M2）和M1的尺寸比，使得M1支路电流可更低，降低了电流镜电路功耗。由此，这种新型脉冲控制自动振幅控制型晶体振荡器通过对晶体能耗、反相器INV1短路功耗、电流镜功耗进行合理降低，极大降低了电路的整体功耗。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种自动振幅控制型晶体振荡器，其特征在于，所述晶体振荡器包括：反相器、第一脉冲开关、第二脉冲开关、偏置电阻和受振幅控制的电流镜电路；
所述第一脉冲开关的一端与电源连接，所述第一脉冲开关的另一端与所述电流镜电路中镜像管的源极连接，所述电流镜电路中镜像管的漏极与所述反相器的电源输入端连接；
所述反相器的接地端与所述第二脉冲开关的一端连接，所述第二脉冲开关的另一端接地；所述反相器的信号电压输入端与所述偏置电阻的一端连接，所述反相器的信号电压输出端与所述偏置电阻的另一端连接；
所述偏置电阻的一端与晶体的一个电极连接，所述偏置电阻的另一端与晶体的另一个电极连接；
所述第一脉冲开关的控制脉冲的低电平持续时间和所述第二脉冲开关的控制脉冲的高电平持续时间不相同。
2.根据权利要求1所述的自动振幅控制型晶体振荡器，其特征在于，所述反相器包括：第一晶体管和第二晶体管；
所述第一晶体管的源极与所述第一晶体管的衬底连接，所述第一晶体管的漏极与所述第二晶体管的漏极连接，所述第一晶体管的栅极与所述第二晶体管的栅极连接，所述第二晶体管的源极与所述第二晶体管的衬底连接；
所述第一晶体管的源极作为反相器的电源输入端，所述第二晶体管的源极作为反相器的接地端，所述第一晶体管的栅极与所述第二晶体管的栅极的连接点作为反相器的信号电压输入端，所述第一晶体管的漏极与所述第二晶体管的漏极的连接点作为反相器的信号电压输出端。
3.根据权利要求2所述的自动振幅控制型晶体振荡器，其特征在于，所述第一晶体管为PMOS管，所述第二晶体管为NMOS管。
4.根据权利要求1所述的自动振幅控制型晶体振荡器，其特征在于，所述电流镜电路包括：电流基准源、输入管和镜像管；
所述输入管的源极与所述电源连接，所述输入管的漏极与所述电流基准源的输出端连接，所述输入管的栅极与所述输入管的漏极短接，并与所述镜像管的栅极连接；
所述镜像管的源极与所述第一脉冲开关的另一端连接，所述镜像管的漏极与所述反相器的电源输入端连接。
5.根据权利要求4所述的自动振幅控制型晶体振荡器，其特征在于，所述输入管和所述镜像管均为PMOS管。
6.根据权利要求4所述的自动振幅控制型晶体振荡器，其特征在于，所述镜像管与所述输入管的尺寸比与所述反相器的电流和所述电流镜电路的基准电流的比值相同。
7.根据权利要求1所述的自动振幅控制型晶体振荡器，其特征在于，所述第一脉冲开关为PMOS管，所述第二脉冲开关为NMOS管。
8.根据权利要求1所述的自动振幅控制型晶体振荡器，其特征在于，所述反相器工作在亚阈值区。
9.根据权利要求1所述的自动振幅控制型晶体振荡器，其特征在于，当所述第一脉冲开关的控制脉冲的电压为低电平时，所述第一脉冲开关闭合，所述反相器对所述晶体进行充电。
10.根据权利要求1所述的自动振幅控制型晶体振荡器，其特征在于，当所述第一脉冲开关的控制脉冲的电压为高电平时，所述第一脉冲开关断开，所述反相器停止对所述晶体进行充电。
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