CN117630464A - 一种自适应调整的晶体振荡器幅度检测电路及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种自适应调整的晶体振荡器幅度检测电路及其检测方法，属于晶体振荡器电路技术领域。其中，该检测电路连接在晶体振荡器的输出端，包括：用于检测晶体振荡器的输出幅度的支路1、用于产生随温度工艺角变化的比较器输入电压的支路2、用于产生支路1、2工作所需的电流的支路3、比较支路1和2产生的输入电压大小的比较器。本发明检测晶体振荡器是否完全起振的阈值会随工艺角及温度的变化自适应变化，并可保证该阈值略小于晶体振荡器完全起振的幅度。通过检测结果关闭晶体振荡器的辅助起振电路，在保证晶体振荡器的起振稳定性的同时，加快了晶体振荡器的起振速度，带来了更大的设计裕度，可普遍应用于以晶体为基础的振荡电路中。

Description

一种自适应调整的晶体振荡器幅度检测电路及其检测方法

技术领域

本发明属于晶体振荡器电路技术领域，尤其涉及一种自适应调整的晶体振荡器幅度检测电路及其检测方法。

背景技术

晶体振荡器(简称晶振)常见于多种通信系统中，例如超宽带通信、蓝牙通信等等，用于产生整个系统所需要的低噪声时钟信号。晶振的启动时间较长，通常在毫秒级别。为此，可以在晶振电路之外增加启动电路，该电路仅工作在晶振的初始振荡阶段，待晶振振荡起振完全后，启动电路会被关断，以节省功耗。

为实现上述关闭额外启动电路的功能，通过检测晶体振荡器的输出幅度，来判断晶体振荡器是否起振完成是一种非常普遍的做法，其中：

(1)专利CN110224689A中对晶体振荡器幅度进行检测的思路是检测晶振的电压振幅，并根据晶振的电压振幅调节晶振起振电路的电流，以使晶振的振幅达到预设值。为此，该发明在晶振电路的反馈放大器之外又引入一路仅工作于启动阶段的反馈放大器。在如图1所示的晶振快速启动电路中，X为外置晶体；外置负载电容C_1,1和C_1,2用于稳定起振回路；反馈电阻R_1,1用于给晶振起振电路提供直流偏置；晶振起振电路用于为外置晶体提供稳定的起振条件；增益控制电路用于检测无源晶振的振幅，并根据无源晶振的振幅调节晶振起振电路的电流，以使无源晶振的振幅达到预设值；与晶振起振电路相连的直流电压产生电路，用于根据晶振起振电路输出的交流电压信号生成直流电压信号；缓冲电路，用于比较晶振起振电路的输出与直流电压产生电路的输出，通过比较的结果判断无源晶振的振幅是否达到预设值，达到预设值后则关闭额外的起振电路电流。

(2)专利CN201410435976的思路与CN110224689A类似，提出了一种用于启动电路的反馈放大器进行晶体振荡器幅度检测。在如图2所示的晶振快速启动电路中，晶体管M_2,1,M_2,3,M_2,4,M_2,5,M_2,6,M_2,7与电阻R_2,1,R_2,3构成电流镜结构，为各个支路提供合适的偏置电流，电容C_2,1构成交流耦合电路，将晶振起振的幅度信息传递至M_2,1，VDD为系统的电源，XO和XI为外置晶体的端口连接处。该电路实时监控晶振的振幅并通过与预设值Vbias作比较，自动增益控制电路(即M_2,3,,M_2,5,M_2,6,M_2,7)动态调整流过起振放大器的电流，当晶振还没有起振或者振幅比较小时，实现让晶振快速启动；随着晶振振幅的变大，自动增益控制电路逐渐减小流过起振放大器额电流，从而让晶振快速启动的同时实现了低的功耗。

上述发明虽然成功地通过检测晶体振荡器的输出幅度关闭了额外的启动电路，但CN110224689A和CN201410435976中均采用预设值判定晶体振荡器是否起振完全，这种做法没有考虑到工艺角及温度变化对电路产生的影响，会带来如下两个显著的问题：

(1)如果预设值设置的过大，在部分工艺角容易出现起振完全后的晶体振荡器输出幅度仍小于预设值的情况，此时额外的启动电路无法正常关断，影响晶体振荡器的起振稳定性。

(2)如果预设值设置的过小，在部分工艺角下，起振完全后的晶体振荡器输出幅度远高于预设值的情况，此时额外的启动电路过早关闭，影响晶体振荡器的起振速度。

上述的两个问题本质上是起振稳定性与起振速度的折中设计，为了保证极端工艺角的起振稳定性，需要牺牲部分工艺角的起振速度，带来更大的性能成本。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术的不足之处，提出一种自适应调整的晶体振荡器幅度检测电路及其检测方法。本发明具有普适性高，随温度工艺角变化稳定性高等优点。

本发明实施例提出一种自适应调整的晶体振荡器幅度检测电路，连接在晶体振荡器的输出端，包括：支路1、支路2、支路3、比较器CMP；

所述支路1由第一晶体管NM1、电容负载C1、电阻负载R1及第四晶体管NM4组成，用于检测所述晶体振荡器的输出幅度；所述支路2由第二晶体管NM2及第五晶体管NM5组成，用于产生所述比较器CMP的输入电压；所述支路3由电流源I1与第三晶体管NM3组成，用于产生所述支路1与所述支路2工作所需的电流；

所述第一晶体管NM1的g端与所述晶体振荡器的输出端连接，d端与电源连接，s端分别与所述电阻R1的一端、所述电容C1的正端连接；所述电容C1的负端与地连接；所述第四晶体管NM4的g端分别与所述第三晶体管NM3的g端和所述第五晶体管NM5的g端相互连接，以组成电流镜连接结构；所述第四晶体管NM4的s端与地连接，d端与所述电阻R1的另一端连接；所述第二晶体管NM2的g端和d端分别与所述电源连接，s端与所述第五晶体管NM5的d端连接；所述第五晶体管NM5的s端与地连接；所述第三晶体管NM3的g端和d端与所述电流源I1的输出端连接，s端与地连接；其中，所述电源用于分别为晶体振荡器、支路1和支路2提供电源电压VDD；

所述比较器CMP的正级输入与所述第一晶体管NM1的s端连接，负级输入与所述第二晶体管NM2的s端连接；所述比较器CMP用于比较所述支路1与所述支路2产生的输入电压的大小。

在本发明的一个具体实施例中，所述晶体管采用n型晶体管。

在本发明的一个具体实施例中，所述检测电路工作原理为：

当所述晶体振荡器不存在输出时，所述第一晶体管NM1的g端无输入，所述第四晶体管NM4通过所述电阻R1对所述电容C1放电，直至所述电容C1被放电至地；

当所述晶体振荡器存在输出时，所述第一晶体管NM1的g端出现周期性信号，所述第一晶体管NM1以晶体谐振频率对所述电容C1反复充电，所述电容C1上的电压会被逐步充至所述第一晶体管NM1的g端出现的周期性信号的幅度，即为晶体振荡器的输出幅度，此时所述第一晶体管NM1的s端电压为：

V_S,NM1＝V_XO-V_GS,1 (1)

其中，V_XO为晶体振荡器的输出幅度，最大为电源电压VDD；第一晶体管NM1的g端到s端电压V_GS,1为：

其中，I_NM4为第四晶体管NM4的d端到s的电流，μ为晶体管的电子迁移率，C_ox表示单位面积的栅氧化层电容，为第一晶体管NM1的宽长比，V_th,NM1为第一晶体管NM1的阈值电压；L表示晶体管长度，W表示晶体管宽度；

由于第二晶体管NM2的g端与电源相连，则NM2的s端电压为：

其中，VDD为电源电压，I_NM5为晶体管NM5的d端到s端的电流，为第二晶体管NM2的宽长比，V_th,NM2为晶体管NM2的阈值电压。

本发明实施例还提出一种基于上述检测电路的晶体振荡器幅度检测方法，包括：

所述晶体振荡器起振开始时，所述晶体振荡器的输出端波形幅度较小，则所述支路1输入所述比较器CMP的电压小于所述支路2输入所述比较器CMP的电压，所述比较器CMP输出比较结果为低电平，代表晶体振荡器未起振完毕；

当所述晶体振荡器起振接近完毕时，所述晶体振荡器的输出波形接近电源电压VDD，在则所述支路1输入所述比较器CMP的电压大于所述支路2输入所述比较器CMP的电压，所述比较器CMP输出比较结果为高电平，代表晶体振荡器起振完毕，即完成所述晶体振荡器的幅度检测。

本发明的特点及有益效果在于：

本发明的检测电路中采用支路1、支路2与支路3构成电流镜电路，复制基准电流源I1电流的方式，令晶体振荡器幅度检测结果受工艺角及温度影响较小；其中，支路1的输出电压跟随晶体振荡器幅度，支路2的输出电压跟随电源电压。本发明解决了现有技术中检测稳定性会受到温度及工艺角影响的问题，检测晶体振荡器是否完全起振的阈值会随工艺角及温度的变化自适应变化，并可保证该阈值略小于晶体振荡器完全起振的幅度。在保证晶体振荡器的起振稳定性的同时，加快了晶体振荡器的起振速度，带来了更大的设计裕度。本发明可普遍应用于以晶体为基础的振荡电路中。

附图说明

图1是专利CN110224689A中一种晶振快速启动电路的结构示意图；

图2是专利CN201410435976的一种晶振快速启动电路的结构示意图；

图3是本发明实施例的一种自适应调整的晶体振荡器幅度检测电路的结构示意图。

具体实施方式

本发明提出一种自适应调整的晶体振荡器幅度检测电路及其检测方法，下面结合实施例及附图详细说明如下：

本发明实施例提出一种自适应调整的晶体振荡器幅度检测电路，结构如图3所示，所述自适应调整的晶体振荡器幅度检测电路连接在晶体振荡器Cystal osc的输出端，包含支路1、支路2、支路3、比较器CMP；

其中，所述支路1由源跟随接法的晶体管NM1、电容负载C1、电阻负载R1及用作电流镜的晶体管NM4组成，用于检测晶体振荡器的输出幅度；所述支路2由源跟随接法的晶体管NM2及晶体管NM5组成，用于产生随温度工艺角变化的比较器输入电压；所述支路3由电流源I1与晶体管NM3组成，用于产生支路1与支路2工作所需的电流。

进一步地，晶体管NM1的g端与晶体振荡器的输出端连接，d端与电源连接，s端分别与与所述电阻R1的一端、所述电容C1的正端连接；电容C1的负端与地连接；晶体管NM4的g端分别与晶体管NM3的g端和晶体管NM5的g端相互连接，以组成电流镜连接结构；晶体管NM4的s端与地连接，d端与电阻R1的另一端连接。晶体管NM2的g端和d端分别与电源连接，s端与晶体管NM5的d端连接。晶体管NM5的s端与地连接。晶体管NM3的g端及d端与电流源I1的输出端连接，s端与地连接。其中，所述电源用于分别为晶体振荡器、支路1和支路2提供电源电压VDD。

比较器CMP的正级输入与支路1的晶体管NM1的s端连接，负级输入与支路2的晶体管NM2的s端连接。比较器CMP用于比较支路1与支路2产生的输入电压的大小：若支路1产生的输入电压大于支路2产生的输入电压，则比较器CMP输出为高电平，代表晶体振荡器起振完毕，可根据此输出结果关闭晶体振荡器的辅助起振电路，节约功耗；若支路1产生的输入电压小于支路2产生的输入电压，则比较器CMP输出为低电平，代表晶体振荡器未起振完毕。

本发明所述自适应调整的晶体振荡器幅度检测电路在器件选型上无特殊要求。本实施例中所有晶体管类型一致，均为n型晶体管，尺寸可不同。

进一步地，本发明所述自适应调整的晶体振荡器幅度检测电路的工作原理如下：

当晶体振荡器不存在输出时，此时NM1的g端无输入，NM4通过电阻R1对电容C1放电，直至电容C1被放电至地；当晶体振荡器存在输出时，NM1的g端出现周期性信号(一般为方波或正弦波，频率为晶体谐振频率)，NM1以晶体谐振频率对电容C1反复充电，由于此时NM1的充电电流要远远大于NM4的放电电流，电容C1上的电压会被逐步充至NM1的g端出现的周期性信号的幅度，即为晶体振荡器的输出幅度，此时NM1的s端电压可表达为下式：

V_S,NM1＝V_XO-V_GS,1 (1)

其中，V_XO为晶体振荡器的输出幅度，最大为电源电压VDD；晶体管NM1的g端到s端电压V_GS,1可由以下表达式计算得到：

其中，I_NM4为晶体管NM4的d端到s的电流，μ为晶体管的电子迁移率(同一个工艺下所有同类型的晶体管电子迁移率相同)，C_ox表示单位面积的栅氧化层电容，为晶体管NM1的宽长比，V_th,NM1为晶体管NM1的阈值电压。本实施例中所有晶体管长度L一致，宽度W不同。

支路2由源跟随接法的晶体管NM2及用作电流镜的NM5组成，由于NM2的g端与电源相连，则NM2的s端电压为：

其中，VDD为电源电压，I_NM5为晶体管NM5的d端到s端的电流，μ为晶体管的电子迁移率，C_ox表示单位面积的栅氧化层电容，为晶体管NM2的宽长比，V_th,NM2为晶体管NM2的阈值电压。

本实施例中，结合式(1)、(2)、(3)可得到，假设NM1的阈值电压与NM2的阈值电压相差不大时，通过调节NM1、NM2、NM4、NM5的尺寸，在满足的条件下，当晶体振荡器起振完全，即V_XO＝VDD时，V_S,NM1>V_S,NM2，该结论与VDD值无关，即与工艺角及温度的变化无关。

进一步地，本发明实施例还提出一种基于上述检测电路的晶体振荡器幅度检测方法，包括：

晶体振荡器起振开始时，晶体振荡器的输出端波形幅度较小，在电阻R1与电容C1上产生的电压小于支路2中通过晶体管NM2生成的电压，即支路1输入比较器CMP的电压小于支路2输入比较器CMP的电压，此时比较器CMP的比较结果为低电平，代表晶体振荡器未起振完毕。

当晶体振荡器起振接近完毕时，晶体振荡器的输出波形接近电源电压VDD，在电阻R1与电容C1上产生的电压大于支路2中通过晶体管NM2生成的电压，即支路1输入所述比较器CMP的电压大于支路2输入比较器CMP的电压，此时比较器CMP输出比较结果为高电平，代表晶体振荡器起振完毕，此时关闭晶体振荡器电路中的快速起振模块，以降低晶体振荡器的功耗，完成了晶体振荡器的幅度检测。

Claims (4)

1.一种自适应调整的晶体振荡器幅度检测电路，连接在晶体振荡器的输出端，其特征在于，包括：支路1、支路2、支路3、比较器CMP；

所述支路1由第一晶体管NM1、电容负载C1、电阻负载R1及第四晶体管NM4组成，用于检测所述晶体振荡器的输出幅度；所述支路2由第二晶体管NM2及第五晶体管NM5组成，用于产生所述比较器CMP的输入电压；所述支路3由电流源I1与第三晶体管NM3组成，用于产生所述支路1与所述支路2工作所需的电流；

所述第一晶体管NM1的g端与所述晶体振荡器的输出端连接，d端与电源连接，s端分别与所述电阻R1的一端、所述电容C1的正端连接；所述电容C1的负端与地连接；所述第四晶体管NM4的g端分别与所述第三晶体管NM3的g端和所述第五晶体管NM5的g端相互连接，以组成电流镜连接结构；所述第四晶体管NM4的s端与地连接，d端与所述电阻R1的另一端连接；所述第二晶体管NM2的g端和d端分别与所述电源连接，s端与所述第五晶体管NM5的d端连接；所述第五晶体管NM5的s端与地连接；所述第三晶体管NM3的g端和d端与所述电流源I1的输出端连接，s端与地连接；其中，所述电源用于分别为晶体振荡器、支路1和支路2提供电源电压VDD；

所述比较器CMP的正级输入与所述第一晶体管NM1的s端连接，负级输入与所述第二晶体管NM2的s端连接；所述比较器CMP用于比较所述支路1与所述支路2产生的输入电压的大小。

2.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述晶体管采用n型晶体管。

3.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述检测电路工作原理为：

当所述晶体振荡器不存在输出时，所述第一晶体管NM1的g端无输入，所述第四晶体管NM4通过所述电阻R1对所述电容C1放电，直至所述电容C1被放电至地；

当所述晶体振荡器存在输出时，所述第一晶体管NM1的g端出现周期性信号，所述第一晶体管NM1以晶体谐振频率对所述电容C1反复充电，所述电容C1上的电压会被逐步充至所述第一晶体管NM1的g端出现的周期性信号的幅度，即为晶体振荡器的输出幅度，此时所述第一晶体管NM1的s端电压为：

V_S,NM1＝V_XO-V_GS,1 (1)

其中，V_XO为晶体振荡器的输出幅度，最大为电源电压VDD；第一晶体管NM1的g端到s端电压V_GS,1为：

其中，I_NM4为第四晶体管NM4的d端到s的电流，μ为晶体管的电子迁移率，C_ox表示单位面积的栅氧化层电容，为第一晶体管NM1的宽长比，V_th,NM1为第一晶体管NM1的阈值电压；L表示晶体管长度，W表示晶体管宽度；

由于第二晶体管NM2的g端与电源相连，则NM2的s端电压为：

其中，VDD为电源电压，I_NM5为晶体管NM5的d端到s端的电流，为第二晶体管NM2的宽长比，V_th,NM2为晶体管NM2的阈值电压。

4.一种基于如权利要求1-3任一项所述检测电路的晶体振荡器幅度检测方法，其特征在于，包括：

所述晶体振荡器起振开始时，所述晶体振荡器的输出端波形幅度较小，则所述支路1输入所述比较器CMP的电压小于所述支路2输入所述比较器CMP的电压，所述比较器CMP输出比较结果为低电平，代表晶体振荡器未起振完毕；

当所述晶体振荡器起振接近完毕时，所述晶体振荡器的输出波形接近电源电压VDD，在则所述支路1输入所述比较器CMP的电压大于所述支路2输入所述比较器CMP的电压，所述比较器CMP输出比较结果为高电平，代表晶体振荡器起振完毕，即完成所述晶体振荡器的幅度检测。