CN1178377C - 振荡电路 - Google Patents

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Abstract

振荡电路(300)包括：连接在输入(IN)和输出(OUT)间的一谐振器(Q)；具有经一输出耦合节点串联连接的第一和第二激励晶体管(MP，MN)的一反相器；第一和第二偏置晶体管(MPD，MND)，用于偏置激励晶体管；以及各个激励晶体管的栅极和输出之间的第一和第二限制装置。CMOS电路允许调节振荡幅度而不需要容易控制的DC电流源，来正确地极化激励晶体管，以及不需要启动电路来保证当该电路通电时激励晶体管保持在饱和状态。一简单振荡电路(600)具有其输入被电容性地耦合到输入(IN)的一反相器，耦合在反相器输入和输出(OUT)间的第一限制装置，以及耦合在输入(IN)和输出(OUT)间的第二限制装置。

Description

振荡电路
发明领域
本发明涉及用在集成电路中的振荡电路。
发明背景
当今集成电路中使用最频繁的一种模拟电路是皮尔斯型双管脚振荡器。通常，这种类型的振荡器被用来在微处理器和其他集成系统中产生时钟信号。
这种振荡器通常是由在两个接地的电容器间和一反相器的输入和输出间嵌入(embed)的一谐振器形成。图1示出了这种振荡器的原理电路。
这种振荡器虽然结构简单，但有几个缺点：
输出的振幅受限于可引起电磁耦合(EMC)问题的非线性生成谐波。
通过谐振器的振幅很大，导致谐振器中高功耗，限制了其长期的频率稳定性。
由于组成反相器的两个晶体管在振荡的大部分时间同时导电，振荡器的电流消耗大。
在反相器的输入和输出间需要高阻抗电流通路以保证其正确偏置。连接到该通路的外部元件的损耗可改变该振荡器的操作条件。
已经提出了几种方法来解决这些缺点。图2示出了一种从U.S.专利No.4,405,906已知的通过调整振荡器振幅来避免上述缺点的现有技术电路。在该已知电路中，两个DC偏压电流源极化激励晶体管，而来自这些电流源的电流通过连接在激励晶体管共用漏极及其栅极间的晶体管被吸收到供电线路。
这种已知电路呈现两个主要缺点。首先，需要容易控制的DC电流源极来正确地极化激励晶体管。第二，需要启动电路来保证当该电路被通电时这两个激励晶体管保持在饱和状态。
从U.S.专利No.3,902,141，已知一种具有一放大器的石英振荡电路，该电路由两个互补半导体形成，在另一具有一电源的装置，这两个半导体的源极、栅极和漏极并行，石英晶体连接在漏极和栅极间，一检测电容器连接在栅极和源极间，一充电电容器连接在源极和漏极间。一集成电容器被连接在半导体的栅极间以便根据振荡器振幅来控制放大器的操作类别。
在U.S.专利No.4,360,789中公开了一种非常低的电流的皮尔斯振荡器。
本发明的目的是提供一种振荡电路，其中可克服或至少减少上述缺点。
发明内容
根据本发明的第一方面，一种振荡电路，包括：用于连接其间的谐振器的输入和输出；反相器装置，具有在两个电压节点(VDDA和VSS)之间、经所述输出串联耦合的第一激励晶体管和第二激励晶体管，其中，第一激励晶体管的源极连接到第二激励晶体管的漏极，第一激励晶体管的漏极连接到第一电压节点(VDDA)，第二激励晶体管的源极连接到第二电压节点(VSS)；偏置装置，具有耦合在所述输出和第一激励晶体管的栅电极间的第一偏置元件，用于偏置第一激励晶体管，以及第二偏置元件，耦合在所述输出和第二激励晶体管的栅电极之间，用于偏置第二激励晶体管；第一限制装置，耦合在所述第一激励晶体管的栅电极和用于接收表示输出的信号的信号的第一节点之间，以及第二限制装置，耦合在所述第二激励晶体管的栅电极和用于接收表示输出处信号的信号的第二节点之间，第一和第二激励晶体管的栅极输入被电容性地耦合到所述输入。
附图说明
现在将参考附图，仅通过举例的方法来描述包括本发明的五种振荡电路，其中：
图1表示一种公知的皮尔斯型双管脚振荡电路的示意电路图；
图2表示一种公知的具有振幅调节的振荡电路的示意电路图；
图3表示包含本发明的一第一振荡电路的示意电路图；
图4表示包含本发明的一第二振荡电路的示意电路图；
图5表示包含本发明的一第三振荡电路的示意电路图；
图6表示包含本发明的一简单的、第四振荡电路的示意电路图；以及
图7表示基于图6的简单的振荡电路，包含本发明并包括互补以提供改进的振幅调节的一第五振荡电路的示意电路图。
具体实施方式
参考图1，皮尔斯型双管脚振荡器100是由嵌入在两个电容器C1和C2间的一谐振器Q形成。这些电容器通常在远离谐振器Q的端子处被连接到电压节点VSS。CMOS晶体管对(CMOS transistor pair)MP、MN具有在电压节点VDDA和VSS间串联的源极和漏极。CMOS晶体管MP和MB形成一反相器，其输入IN被连接到该晶体管的栅极以及其输出OUT被连接到晶体管的电流电极间的一点上。输入IN和输出OUT在远离电压节点VSS的端子处分别被连接到电容器C1和C2。电阻R0被连接在输入IN和输出OUT间。
如上所述，尽管已知的皮尔斯型双管脚振荡器100具有结构简单的优点，但它存在几个缺点：(I)输出的振幅受可能引起电磁耦合(EMC)问题的非线性生成谐波的限制；(ii)通过谐振器的振幅很高，导致谐振器中高功耗，限制其长期的频率稳定性；(iii)由于组成反相器的两个晶体管MP和MN在振荡的大部分时间同时导电，振荡器的电流消耗大；(IV)在反相器的输入IN和输出OUT间需要高阻抗电流通路以保证其正确偏置，以及连接到该通路的外部元件的损耗可改变该振荡器的操作条件。
现在参考图2，一种公知的振荡电路200避免了这些缺点。在振荡电路200中，谐振器Q、晶体管T1和T2以及电容器C2分别与图1中的谐振器Q、晶体管MP和MN以及电容器C2相似。图2中的电容器C3′以及C4′(连同电容器C3和C4)与图1中的电容器C1类似。在振荡电路200中，节点a和b分别用于输入和输出节点。
振荡电路200通过调节振幅避免了振荡电路100的上述缺点。在振荡电路200中，振幅由极化源极励晶体管T1和T2的两个DC偏置电流源(分别由晶体管T3和T4形成)调节，而来自这些电流源的电流通过连接在激励晶体管的共用漏极和它们的栅极间的晶体管T5、T6和T8被吸收到供电线路(supply rail)P和M。
然而，如上所述，尽管振荡电路200避免振荡电路100的缺点，但振荡电路200还具有两个重要缺点。第一，需要容易的DC电流源T3和T4来正确地极化激励晶体管T1和T2。第二，需要启动电路(未示出)来保证两个激励晶体管当电路被通电时保持在饱和状态。
现在参考图3，振荡电路300在表现已知电路图1和图2的上述优点的同时，还避免了上述缺点。
在振荡电路300中，谐振器Q嵌入到两个电容器C1和C2之间。电容器在远离谐振器Q的端子处被连接到电压节点VSS。CMOS晶体管对MP、MN具有在电压节点VDDA和VSS间串联的源极和漏极。CMOS晶体管MP和MN形成一反相器，该反相器的输入IN经各自的电容器CP和CN被连接到晶体管的栅极电极，其输出OUT被连接到晶体管的电流电极间的一点上。输入IN和输出OUT被分别连接到远离电压节点VSS的C1和C2的端子处。晶体管MP和MN的栅极电极(分别在节点PG和NG)处经两个串联连接的电阻PX和NX被连接。电阻PX和NX间的点被连接到输出OUT。晶体管MP和MN的栅极电极(分别在节点PG和NG)分别经与二极管连接的CMOS晶体管MND和MPD被连接到节点NF，经放大器A被连接到输出OUT。
在图3的振荡器300中，激励晶体管MN和MP的正确偏置条件由通过这些激励晶体管的输出和它们的栅极间的晶体管NX和PX的高阻抗通路来保证。这样，当启动时，这两个激励晶体管MN和MP处于饱和状态。
用二极管结构连接的晶体管MND和MPD用与图1的现有技术电路同样的方式来实现振幅调节。连接在激励晶体管MN和MP的栅极和节点NF间的晶体管MND和MPD当在振荡器输出OUT上的振幅上升时，能通过阻抗通路来吸收电流。在稳定的状态中，定期从晶体管MND和MPD传送的电荷等于分别通过电阻NX和PX由高阻抗通路提供的电荷。
应当理解用这种方式图3的振荡电路300显示了图1和图2的已知电路的上述优点，同时还避免了它们的上述缺点。
图4示出了图3的振荡电路300的具体实施例。在图4的振荡电路400中，图3的振荡电路300的位于激励晶体管MPD、MND的输出和它们的栅极间的高阻抗电阻PX和NX分别通过充分控制的、长通道CMOS晶体管MPX和MNX来实现。另外，在图4的振荡电路400中，晶体管MPD和MND的连接关系排列如下。
与激励晶体管MP和MN并联，CMOS晶体管对MP1和MN1以及电容器CP2和CN2均串联连接。晶体管MP1具有连接到其源极(在节点RF处)和激励晶体管MPD的漏极的栅极。电容器CP1连接在MP1的源极和漏极之间。晶体管MN具有连接到其源极(在节点NF处)和激励晶体管MND的漏极的栅极。电容器CN1连接在晶体管MN1的源极和漏极间。
在图4的振荡电路400中，用存储在电容器CN2、CP2和传送到节点NG、PG的电荷，产生振幅调节。应当理解，在该实施例中，不需要构造放大器。当在IN和OUT的电压在电源电压的10％和90％间摆动时，如上面所限定的，在该条件下通路的电流消耗是0.25mA。
图5示出了图3的振荡电路的另一具体实施例。在图5的振荡电路500中，晶体管MPD和MND的连接排列如下。
激励晶体管MP和MN(在节点PG和NG处)的栅电极间，CMOS晶体管对MPX和MNX串联连接，晶体管MPX和MNX间的一点与激励晶体管MP和MN间的一点连接。在晶体管MPX和MNX间的栅极(在节点PC和NC处)，与二极管连接的CMOS晶体管MNA0和MPA0串联连接。晶体管MNA0和MPA0间的一点形成节点DIV。晶体管MPA1和MPA2具有共同连接到节点DIV的栅极，以及具有共同耦合到电压节点VDDA的源极。晶体管MPA1具有连接到节点DIV的漏极。晶体管MPA2具有连接到节点NC的漏极。晶体管MNA1和MNA2具有共同连接到节点DIV的栅极，以及具有共同耦合到电压节点VSS的源极。晶体管MNA1具有连接到节点DIV的漏极。晶体管MNA2具有连接到节点PC的漏电极。
在图5的振荡电路500的操作中，在输出端OUT增加的电压导致晶体管MND、MPD断开(open)，因此导致吸收由晶体管MNX和MPX分别提供的电流。
表示振荡器输出和激励晶体管的栅极间的高阻抗电连接的晶体管MNX、MPX的控制电压被调整为启动时输出端OUT的DC电压加上晶体管MNX、MPX的阈值电压。这样，由这些晶体管提供的电流来跟踪过程、温度以及电源电压变化以便阻遏(counter)在该电路中另一处的性能变化。
应当理解，如果要求的话，由晶体管MNX和MPX提供的电流用产生与集成电容器的值成比例的DC电流的辅助电路(未示出)被稳定到电源电压以及振荡器本身的频率。
图5的振荡电路500的另外的特征是加入由CMOS晶体管TG1和TG2形成的、连接在输入IN和输出OUT间的电阻的传输门电路。晶体管TG1和TG2的栅极分别连接到电源电压VDDA和VSS。应当理解，这种传输门电路的效果是限制低频时输入的电压。另外，应当理解，如果需要的话，这种传输门电路可被加入到图3的振荡电路300和/或图4的振荡电路400中。
应当理解，图3、图4和图5的所有振荡电路提供简单和有效的振幅调节而不需要容易控制的DC电流源来正确地极化激励晶体管，以及不需要启动电路来保证这两个激励晶体管在该电路通电时保持在饱和状态。
现在参考图6，本发明的第二个方面是基于这样的实现：本技术允许在输入上进行电容耦合，而至少对在1MHZ范围或以上的频率来说没有带来主要缺陷。实际上，由于大多数处理器或数字信号处理器目前在4MHz以上操作，因此这并不是一个显著的缺点。
如图6所示，在振荡电路600中，谐振器Q被嵌入两个电容器C1和C2间。电容器在远离谐振器Q的端子处连接。电容器C1和C2在远离它们的共同连接端子处被分别连接到一输入节点IN和一输出节点OUT。CMOS反相器INV经连接到输入节点IN的电容器C3被连接在输入节点IN和输出节点OUT间。电容R与反相器INV并联连接，以及电阻RL被连接在输入节点IN和输出节点OUT间。如在图3、4和5的振荡电路中，应当理解电阻RI和RL可采取高阻抗晶体管的形式。
应当理解，简单的振荡电路600提供了(i)(经电容器C3)在输入IN上电容耦合；以及(ii)输出OUT和输入IN间以及输出OUT和内部输入(电容性耦合)的高阻抗耦合(经电阻RL)。这样，应当理解，反相器600对损耗不灵敏并且表示出对电磁耦合的提高的磁化率。另外，振幅调节有助于提高频率稳定性。
现在参考图7，基于图6的简单的振荡电路600的第五个振荡电路700  具有用于提供改进的振幅调节的元件部分。因此，在振荡电路700中，振荡电路600的反相器INV是由经输出节点OUT与它们的电流电极串联连接的CMOS晶体管对MP、MN所形成。晶体管MP和MN的栅极PG和NG经单个耦合电容器C3P和C3N均分别到输入节点IN。每个晶体管MP、MN具有经各自的CMOS晶体管PX、NX连接到输出节点OUT的栅极。
应当理解，通过向晶体管MP和MN提供单独的电容输入耦合，以及晶体管MP和MN的栅级PG和NG的单独的输出耦合，可获得提高的振幅调节。因此，应当理解，振荡电路700提供损耗不敏感、对电磁耦合的提高的磁化率、良好的操作稳定性以及(与振荡电路300、400、500和600一样)不要求启动电路。
应当理解，在振荡电路700中，振幅调节可通过下列之一来实现：(I)具有随晶体管MP和MN的栅极上的各个电压的函数变化的晶体管PX和NX的栅极上的电压，或(ii)具有决定晶体管PX和NX的栅极的电压以及具有在晶体管MP和MN的栅极和输出节点OUT间的二极管(未示出)。
应当理解，图3、图4、图5、图6和图7的所有振荡电路可完全地制作到CMOS集成电路加工工艺中，减小振荡电路要求的半导体模具的大小并降低该电路的功率要求。

Claims (11)

1.一种振荡电路，包括：
用于连接其间的谐振器的输入和输出；
反相器装置，具有在两个电压节点(VDDA和VSS)之间、经所述输出串联耦合的第一激励晶体管和第二激励晶体管，其中，第一激励晶体管的源极连接到第二激励晶体管的漏极，第一激励晶体管的漏极连接到第一电压节点(VDDA)，第二激励晶体管的源极连接到第二电压节点(VSS)；
偏置装置，具有耦合在所述输出和第一激励晶体管的栅电极间的第一偏置元件，用于偏置第一激励晶体管，以及第二偏置元件，耦合在所述输出和第二激励晶体管的栅电极之间，用于偏置第二激励晶体管；
第一限制装置，耦合在所述第一激励晶体管的栅电极和用于接收表示输出的信号的信号的第一节点之间，以及第二限制装置，耦合在所述第二激励晶体管的栅电极和用于接收表示输出处信号的信号的第二节点之间，
第一和第二激励晶体管的栅极输入被电容性地耦合到所述输入。
2.如权利要求1所述的振荡电路，进一步包括具有耦合到输出的一输入并具有耦合到用于接收表示输出处的信号的信号的节点的一输出的放大器装置。
3.如权利要求1所述的振荡电路，进一步包括：
第一电容装置，耦合在所述输出和用于接收表示输入处信号的信号的所述第一节点之间；
第一限流装置，用于限定在第一限制装置中流过的电流；
第二电容装置，耦合在所述输出和用于接收表示输出处信号的信号的所述第二节点之间；以及
第二限流装置，用于限定在第二限制装置中流过的电流。
4.如权利要求3所述的振荡电路，其中第一限流装置包括在用于接收表示输出信号的信号的第一节点和一第一电源节点之间的与二极管连接的晶体管和电容器，以及第二限流装置，包括在用于接收表示输出信号的信号的第二节点和第二电源节点之间的与二极管连接的晶体管和电容器。
5.如以上任何一项权利要求所述的振荡电路，其中偏置装置包括具有控制电极的电阻晶体管。
6.如权利要求5所述的振荡电路，其中第一和第二偏置装置的电阻晶体管的控制电极分别被耦合到第二和第一电源节点。
7.如权利要求5所述的振荡电路，其中电阻晶体管的控制电极被耦合到一装置，该装置用于为保证当在激励晶体管的控制电极上的电压低于在输入的启动电压时电阻晶体管导电而提供控制电压。
8.如权利要求7所述的振荡电路，其中，用于提供电压的所述装置包括：
用于提供表示启动电压的电压以及表示偏置装置的阈值电压的装置，以及用于从此生成控制电压的装置。
9.如权利要求1所述的振荡电路，进一步包括电阻传输门电路，其耦合在所述输入和所述输出间以限定在低频时输入的电压。
10.如权利要求9所述的振荡电路，其中所述电阻传输门电路具有分别耦合到第一和第二电源节点的控制电极。
11.如权利要求1所述的振荡电路，其中，所述晶体管是CMOS晶体管。
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