CN115021682A - 一种快速启动的晶体振荡器电路 - Google Patents

一种快速启动的晶体振荡器电路 Download PDF

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CN115021682A CN202210769907.9A CN202210769907A CN115021682A CN 115021682 A CN115021682 A CN 115021682A CN 202210769907 A CN202210769907 A CN 202210769907A CN 115021682 A CN115021682 A CN 115021682A
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徐冰妍
黄继成
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Abstract

本发明公开了一种快速启动的晶体振荡器电路，属于晶体振荡器领域，包括：第一控制开关，于使能控制信号的作用下可控制地连接于快速启动电路的第一端和输入端之间；第二控制开关，于使能控制信号的作用下可控制地连接于快速启动电路的第一端和输出端之间；快速启动电路的第二端通过缓冲器连接第一控制开关，缓冲器通过第二反相器连接第二控制开关，于快速使能信号的作用下输出输出信号；以及输出使能控制信号。本发明中通过增加快速启动电路来提高晶体振荡器电路的启动速度，减少起振时间，降低电路功耗；并且在晶体振荡器电路的输出稳定后，快速启动电路不会影响电路性能。

Description

一种快速启动的晶体振荡器电路
技术领域
本发明涉及晶体振荡器领域，尤其涉及一种快速启动的晶体振荡器电路。
背景技术
晶体振荡器(晶振)大多是皮尔斯振荡器(Pierce oscillator)配合石英晶体以产生震荡信号。石英晶体频率稳定，成本较低，被广泛地应用在电子设备中，为系统提供精确的时钟信号。晶体振荡器电路从上电开始到输出稳定的振荡信号需要很长的启动时间(起振时间)。振荡频率在10M以上的晶振电路启动时间大于1ms，其余射频模拟电路的启动时间均在微秒级，晶振电路的启动速度会限制电子设备的系统性能。
现有技术中主要采用两种加快启动的方法，一种是在启动时选择合适电流达到最优的驱动电路负阻，以最优的驱动能力加速起振，由于负阻最大值受限于晶振及其负载电容的影响，导致该方法加速的效果有限。另一种是在启动时以一个频率接近晶振频率的时钟直接驱动晶振两端，以注入的方式快速增强晶振的初始振荡电流，该方法要求驱动的时钟频率非常接近晶振本身频率，否则驱动效果就会大打折扣，由于工艺偏差以及温度电压等因素影响，无法保证驱动的时钟频率始终非常接近晶振本身的频率，从而使该方法的效果无法得到保证，因此针对以上问题，迫切需要设计出一种快速启动的晶体振荡器电路，以满足实际使用的需要。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供了一种快速启动的晶体振荡器电路。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案实现：
一种快速启动的晶体振荡器电路，所述晶体振荡器电路包括并联连接于一输入端和一输出端之间的第一反相器、石英晶体和电阻，所述输入端通过一第一负载电容连接一接地端，所述输出端通过一第二负载电容连接所述接地端，还包括：
一第一控制开关，于一使能控制信号的作用下可控制地连接于一快速启动电路的第一端和所述输入端之间；
一第二控制开关，于所述使能控制信号的作用下可控制地连接于所述快速启动电路的第一端和所述输出端之间；
所述快速启动电路的第二端通过一缓冲器连接所述第一控制开关，所述缓冲器通过一第二反相器连接所述第二控制开关，于一快速使能信号的作用下输出一输出信号，所述输出信号经所述缓冲器产生第一输出信号，所述输出信号经所述第二反相器产生与所述第一输出信号相位相反的第二输出信号；以及输出所述使能控制信号。
优选地，所述快速启动电路包括：
一第一控制信号产生电路，于所述快速使能信号的作用下产生一第一控制信号；
一环形振荡器，于所述第一控制信号的作用下输出所述输出信号。
优选地，所述第一控制信号产生电路包括：
一第一晶体管，所述第一晶体管的栅极连接所述快速使能信号，所述第一晶体管的源极连接一电源电压，所述第一晶体管的漏极连接一第一节点，自所述第一节点输出所述第一控制信号；
一第一电容和一第一电阻，所述第一电容和所述第一电阻并联连接于所述第一晶体管的源极和漏极之间；
一第一电流源，连接于所述第一节点和接地端之间。
优选地，还包括：
一第二晶体管，所述第二晶体管的栅极连接所述第一控制信号，所述第二晶体管的源极连接接地端；
一第三晶体管，所述第三晶体管的源极连接所述电源电压，所述第三晶体管的栅极和漏极连接所述第二晶体管的漏极。
优选地，所述环形振荡器包括奇数个振荡单元串联连接，每一所述振荡单元连接于所述电源电压和所述接地端之间，最后一级振荡单元的输出连接第一级振荡单元的输入。
优选地，每一级所述振荡单元包括：
一第四晶体管，所述第四晶体管的栅极连接所述第三晶体管的栅极，所述第四晶体管的源极连接所述电源电压；以及
一第五晶体管和一第六晶体管，所述第五晶体管和所述第六晶体管栅漏极并联连接，所述第五晶体管的源极连接所述第四晶体管的漏极；
一第七晶体管，所述第七晶体管的栅极连接所述第二晶体管的栅极，所述第七晶体管的漏极连接所述第六晶体管的源极，所述第七晶体管的源极连接所述接地端；
后一级所述振荡单元的第五晶体管的栅极连接前一级所述振荡单元的第五晶体管的漏极，最后一级所述振荡单元的第五晶体管的漏极连接环形振荡器输出端，所述环形振荡器输出端连接第一级所述振荡单元的第五晶体管的栅极。
优选地，所述快速启动电路还包括：
一第二控制信号产生电路，于所述快速使能信号的作用下产生一第二控制信号；
三个第三反相器，所述第二控制信号经所述三个第三反相器后输出所述使能控制信号。
优选地，所述第二控制信号产生电路包括：
一第八晶体管，所述第八晶体管的栅极连接所述快速使能信号，所述第八晶体管的源极连接一电源电压，所述第八晶体管的漏极连接一第二节点，自所述第二节点输出所述第二控制信号；
一第二电容和一第二电阻，所述第二电容和所述第二电阻并联连接于所述第一晶体管的源极和漏极之间；
一第二电流源，连接于所述第二节点和接地端之间。
优选地，所述第二节点的最低电压满足以下条件：
VDD-I2*R2<V0
其中，I2表示流经所述第二电流源的电流；
R2表示所述第二电阻的阻值；
V0表示所述三个第三反相器的翻转电压。
优选地，还包括：采用下述公式计算得到所述晶体振荡器电路的起振时间：
Figure BDA0003726948110000041
其中，Tstart-up表示所述晶体振荡器电路的起振时间；
Q表示所述晶体振荡器电路的品质因数；
ωSS表示所述晶体振荡器电路的振荡频率；
RN表示所述晶体振荡器电路的等效负阻；
Rm表示晶体电阻；
ix(0)表示所述晶体振荡器电路的初始电流。
本发明的有益效果在于：
本发明中通过增加简单的快速启动电路来提高晶体振荡器电路的启动速度，减少电路的起振时间，降低电路功耗；快速启动电路不会受到不同的工艺偏差、温度、电源电压的影响，并且在晶体振荡器电路的输出稳定后，快速启动电路不会影响电路性能。
附图说明
图1为现有技术中，皮尔斯振荡器的电路图；
图2为本发明中，一种快速启动的晶体振荡器电路的电路示意图；
图3为本发明中，快速启动电路中产生输出信号的电路示意图；
图4为本发明中，快速启动电路中产生使能控制信号的电路示意图。
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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1所示，为现有技术中皮尔斯振荡器的电路图，皮尔斯振荡器由一第一反相器INV1、一电阻R0、一石英晶体XTAL、两个负载电容(CL1、CL2)构成，第一反相器INV1、石英晶体XTAL和电阻R0并联连接于输入端和输出端之间，输入端通过第一负载电容CL1连接接地端，输出端通过第二负载电容CL2连接接地端。其中，第一反相器INV1的输入输出两端的信号为相位相差180度的反相振荡信号。
本发明在现有的皮尔斯振荡器进一步的改进，增加了快速启动电路1、缓冲器BUFFER、反相器INV2和两个开关(SW1、SW2)。本发明提供的一种快速启动的晶体振荡器电路，如图2所示，具体包括：
一第一控制开关SW1，于一使能控制信号EN_SW的作用下可控制地连接于快速启动电路1的第一端和输入端之间；
一第二控制开关SW2，于使能控制信号EN_SW的作用下可控制地连接于快速启动电路1的第一端和输出端之间；
快速启动电路1的第二端通过一缓冲器BUFFER连接第一控制开关SW1，缓冲器BUFFER通过一第二反相器INV2连接第二控制开关SW2，于一快速使能信号EN_FAST的作用下输出一输出信号，输出信号经缓冲器BUFFER产生第一输出信号，输出信号经第二反相器INV2产生与第一输出信号相位相反的第二输出信号；以及输出使能控制信号EN_SW。
具体的，在本实施例中，当石英晶体XTAL两端的反相信号的频率为振荡频率ωSS时，石英晶体XTAL中会产生一个很大的电流，快速启动电路1在快速使能信号EN_FAST的作用下打开，在很短的时间内(大约50us以内)产生频率ωss的输出信号VOUT，输出信号经过缓冲器BUFFER在输入端产生输入端信号XIN，同时经过第二反相器INV2在输出端产生输出端信号XOUT，XIN和XOUT的相位相差180度。
进一步的，由于工艺偏差、温度和电源电压波动的影响，快速启动电路1的输出信号VOUT的频率会有波动，因此输出信号VOUT为频率随时间单调递减的信号，并且输出信号VOUT的频率范围在所有情况下均需要保证包含振荡频率ωSS，使得快速启动电路1在不同的工艺偏差、温度、电源电压下均正常工作。
进一步的，在快速启动电路1为石英晶体XTAL注入初始电流ix(0)后，快速启动电路1改变使能控制信号EN_SW，断开第一控制开关SW1和第二控制开关SW2，此时，快速启动电路1的输出不再影响皮尔斯振荡器的石英晶体XTAL。
作为优选的实施方式，快速启动电路1包括用于产生输出信号VOUT的输出信号产生模块，以及用于产生使能控制信号EN_SW的使能模块，输出信号产生模块包括下述的第一控制信号产生电路和环形振荡器，使能模块包括下述的第二控制信号产生电路和三个第三反相器。
作为优选的实施方式，快速启动电路1包括：
一第一控制信号产生电路，于快速使能信号EN_FAST的作用下产生一第一控制信号；
一环形振荡器，于第一控制信号的作用下输出上述输出信号。
具体的，在本实施例中，快速启动电路1包括第一控制信号产生电路和环形振荡器。在快速使能信号EN_FAST的作用下，第一控制信号产生电路产生第一控制信号Vctrl，第一控制信号Vctrl经环形振荡器产生输出信号，经快速启动电路1的第一端输出，输出信号VOUT的频率受第一控制信号Vctrl电压控制，第一控制信号电压越大，输出信号VOUT的频率越高。
作为优选的实施方式，如图3所示，第一控制信号产生电路包括：
一第一晶体管MP1，第一晶体管MP1的栅极连接快速使能信号EN_FAST，第一晶体管MP1的源极连接一电源电压VDD，第一晶体管MP1的漏极连接一第一节点J1，自第一节点J1输出第一控制信号；
一第一电容C1和一第一电阻R1，第一电容C1和第一电阻R1并联连接于第一晶体管的源极和漏极之间；
一第一电流源，连接于第一节点J1和接地端之间。
具体的，在本实施例中，通过第一晶体管MP1、第一电容C1、第一电阻R1和第一电流源组成第一控制信号产生电路，以产生第一控制信号Vctrl。快速使能信号EN_FAST的电压值为0时，快速启动电路1关闭，第一晶体管MP1导通，第一控制信号Vctrl等于电源电压VDD；快速使能信号EN_FAST的电压值从0拉到VDD时，快速启动电路1打开，第一晶体管MP1截止，第一控制信号Vctrl经过第一时间t1从电源电压VDD开始降低至VDD-I1*R1，其中，I1为流经第一电流源的电流，R1为第一电阻的阻值。因此，放电速度由第一电容C1和电流I1决定，第一电容C1的值越大或电流I1的值越小，放电速度越慢。输出信号Vout的输出频率随第一控制信号Vctrl一起降低，但是其频率的变化范围应包括晶振的工作频率ωSS。
作为优选的实施方式，如图3所示，还包括：
一第二晶体管MN1，第二晶体管MN1的栅极连接第一控制信号，第二晶体管MN1的源极连接接地端；
一第三晶体管MP2，第三晶体管MP2的源极连接电源电压，第三晶体管MP2的栅极和漏极连接第二晶体管MN1的漏极。
作为优选的实施方式，环形振荡器包括奇数个振荡单元2串联连接，每一振荡单元2连接于电源电压VDD和接地端之间，最后一级振荡单元的输出连接第一级振荡单元的输入。
作为优选的实施方式，如图3所示，每一级振荡单元2包括：
一第四晶体管MP4，第四晶体管MP4的栅极连接第三晶体管MP2的栅极，第四晶体管MP4的源极连接电源电压VDD；以及
一第五晶体管MP5和一第六晶体管MN2，第五晶体管MP5和第六晶体管MN2栅漏极并联连接，第五晶体管MP5的源极连接第四晶体管MP4的漏极；
一第七晶体管MN3，第七晶体管MN3的栅极连接第二晶体管MN1的栅极，第七晶体管MN3的漏极连接第六晶体管MN2的源极，第七晶体管MN3的源极连接接地端；
后一级振荡单元的第五晶体管的栅极连接前一级振荡单元的第五晶体管的漏极，最后一级振荡单元的第五晶体管的漏极连接环形振荡器输出端，环形振荡器输出端连接第一级振荡单元的第五晶体管的栅极。
作为优选的实施方式，如图4所示，快速启动电路1还包括：
一第二控制信号产生电路，于快速使能信号EN_FAST的作用下产生一第二控制信号；
三个第三反相器(INV31、INV32、INV33)，第二控制信号经三个第三反相器(INV31、INV32、INV33)后输出使能控制信号EN_SW。
作为优选的实施方式，如图4所示，第二控制信号产生电路包括：
一第八晶体管MP3，第八晶体管MP3的栅极连接快速使能信号EN_FAST，第八晶体管MP3的源极连接一电源电压，第八晶体管MP3的漏极连接一第二节点J2，自第二节点J2输出第二控制信号；
一第二电容C2和一第二电阻R2，第二电容C2和第二电阻R2并联连接于第一晶体管MP1的源极和漏极之间；
一第二电流源，连接于第二节点J2和接地端之间。
具体的，在本实施例中，通过第八晶体管MP3、第二电容C2、第二电阻R2和第二电流源组成第二控制信号产生电路，以产生第二控制信号，然后第二控制信号经过三个第三反相器(INV31、INV32、INV33)产生使能控制信号EN_SW。
快速使能信号EN_FAST的电压值为0时，快速启动电路1关闭，第八晶体管MP3导通，第二控制信号电压等于电源电压VDD；快速使能信号EN_FAST的电压值从0拉到VDD时，快速启动电路1打开，第八晶体管MP3截止，第二控制信号电压经过第二时间t2从电源电压VDD开始降低至VDD-I2*R2，其中，I2为流经第二电流源的第二电流，R2为第二电阻的阻值。通过改变第二电容C2和第二电流I2的值可以控制第二控制信号电压的变化速度。
作为优选的实施方式，第二节点J2的最低电压满足以下条件：
VDD-I2*R2<V0
其中，I2表示流经第二电流源的电流；
R2表示第二电阻的阻值；
V0表示三个第三反相器的翻转电压。
具体的，在本实施例中，为了使第三反相器反转，第二控制信号的最低电压需要满足VDD-I2*R2<V0。
进一步的，第一时间t1和第二时间t2必须满足t1＜t2，能够保证输出信号VOUT的频率范围在任何情况下均包含晶振的频率ωSS。
作为优选的实施方式，还包括：采用下述公式计算得到晶体振荡器电路的起振时间：
Figure BDA0003726948110000091
其中，Tstart-up表示晶体振荡器电路的起振时间；
Q表示晶体振荡器电路的品质因数；
ωSS表示晶体振荡器电路的振荡频率；
RN表示晶体振荡器电路的等效负阻；
Rm表示晶体电阻；
ix(0)表示晶体振荡器电路的初始电流。
具体的，在本实施例中，晶体振荡器电路的起振时间与电路中的各参数的关系如上，其中品质因数Q、晶体电阻Rm为石英晶体XTAL固有的参数，无法修改，因此，只能通过改变等效负阻RN和初始电流ix(0)实现晶体振荡器电路的调整。本发明通过增大初始电流ix(0)的值来减少晶振的起振时间，将晶振的起振时间从1ms以上降低到200us以内。
本发明的有益效果在于：本发明中通过增加简单的快速启动电路来提高晶体振荡器电路的启动速度，减少电路的起振时间，降低电路功耗；快速启动电路不会受到不同的工艺偏差、温度、电源电压的影响，并且在晶体振荡器电路的输出稳定后，快速启动电路不会影响电路性能。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种快速启动的晶体振荡器电路，所述晶体振荡器电路包括并联连接于一输入端和一输出端之间的第一反相器、石英晶体和电阻，所述输入端通过一第一负载电容连接一接地端，所述输出端通过一第二负载电容连接所述接地端，其特征在于，还包括：
一第一控制开关，于一使能控制信号的作用下可控制地连接于一快速启动电路的第一端和所述输入端之间；
一第二控制开关，于所述使能控制信号的作用下可控制地连接于所述快速启动电路的第一端和所述输出端之间；
所述快速启动电路的第二端通过一缓冲器连接所述第一控制开关，所述缓冲器通过一第二反相器连接所述第二控制开关，于一快速使能信号的作用下输出一输出信号，所述输出信号经所述缓冲器产生第一输出信号，所述输出信号经所述第二反相器产生与所述第一输出信号相位相反的第二输出信号；以及输出所述使能控制信号。
2.根据权利要求1所述的一种快速启动的晶体振荡器电路，其特征在于，所述快速启动电路包括：
一第一控制信号产生电路，于所述快速使能信号的作用下产生一第一控制信号；
一环形振荡器，于所述第一控制信号的作用下输出所述输出信号。
3.根据权利要求2所述的一种快速启动的晶体振荡器电路，其特征在于，所述第一控制信号产生电路包括：
一第一晶体管，所述第一晶体管的栅极连接所述快速使能信号，所述第一晶体管的源极连接一电源电压，所述第一晶体管的漏极连接一第一节点，自所述第一节点输出所述第一控制信号；
一第一电容和一第一电阻，所述第一电容和所述第一电阻并联连接于所述第一晶体管的源极和漏极之间；
一第一电流源，连接于所述第一节点和接地端之间。
4.根据权利要求2所述的一种快速启动的晶体振荡器电路，其特征在于，还包括：
一第二晶体管，所述第二晶体管的栅极连接所述第一控制信号，所述第二晶体管的源极连接接地端；
一第三晶体管，所述第三晶体管的源极连接所述电源电压，所述第三晶体管的栅极和漏极连接所述第二晶体管的漏极。
5.根据权利要求4所述的一种快速启动的晶体振荡器电路，其特征在于，所述环形振荡器包括奇数个振荡单元串联连接，每一所述振荡单元连接于所述电源电压和所述接地端之间，最后一级振荡单元的输出连接第一级振荡单元的输入。
6.根据权利要求5所述的一种快速启动的晶体振荡器电路，其特征在于，每一级所述振荡单元包括：
一第四晶体管，所述第四晶体管的栅极连接所述第三晶体管的栅极，所述第四晶体管的源极连接所述电源电压；以及
一第五晶体管和一第六晶体管，所述第五晶体管和所述第六晶体管栅漏极并联连接，所述第五晶体管的源极连接所述第四晶体管的漏极；
一第七晶体管，所述第七晶体管的栅极连接所述第二晶体管的栅极，所述第七晶体管的漏极连接所述第六晶体管的源极，所述第七晶体管的源极连接所述接地端；
后一级所述振荡单元的第五晶体管的栅极连接前一级所述振荡单元的第五晶体管的漏极，最后一级所述振荡单元的第五晶体管的漏极连接环形振荡器输出端，所述环形振荡器输出端连接第一级所述振荡单元的第五晶体管的栅极。
7.根据权利要求1所述的一种快速启动的晶体振荡器电路，其特征在于，所述快速启动电路还包括：
一第二控制信号产生电路，于所述快速使能信号的作用下产生一第二控制信号；
三个第三反相器，所述第二控制信号经所述三个第三反相器后输出所述使能控制信号。
8.根据权利要求7所述的一种快速启动的晶体振荡器电路，其特征在于，所述第二控制信号产生电路包括：
一第八晶体管，所述第八晶体管的栅极连接所述快速使能信号，所述第
八晶体管的源极连接一电源电压，所述第八晶体管的漏极连接一第二节点，自所述第二节点输出所述第二控制信号；
一第二电容和一第二电阻，所述第二电容和所述第二电阻并联连接于所述第一晶体管的源极和漏极之间；
一第二电流源，连接于所述第二节点和接地端之间。
9.根据权利要求8所述的一种快速启动的晶体振荡器电路，其特征在于，所述第二节点的最低电压满足以下条件：
VDD-I2*R2<V0
其中，I2表示流经所述第二电流源的电流；
R2表示所述第二电阻的阻值；
V0表示所述三个第三反相器的翻转电压。
10.根据权利要求1所述的一种快速启动的晶体振荡器电路，其特征在于，还包括：采用下述公式计算得到所述晶体振荡器电路的起振时间：
Figure FDA0003726948100000031
其中，Tstart-up表示所述晶体振荡器电路的起振时间；
Q表示所述晶体振荡器电路的品质因数；
ωSS表示所述晶体振荡器电路的振荡频率；
RN表示所述晶体振荡器电路的等效负阻；
Rm表示晶体电阻；
ix(0)表示所述晶体振荡器电路的初始电流。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115208320A (zh) * 2022-09-16 2022-10-18 中国电子科技集团公司第十四研究所 一种具有占空比校准和快速起振的晶体振荡器电路

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CN115208320A (zh) * 2022-09-16 2022-10-18 中国电子科技集团公司第十四研究所 一种具有占空比校准和快速起振的晶体振荡器电路

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