CN1748360A - 用于振荡器的波幅电平控制电路 - Google Patents

Abstract

用于振荡器的波幅电平控制电路，包括布置有产生驱动振荡器的第一电流的第一装置，还布置有产生第二电流的第二装置，使得在直流条件下，第二电流可被设置为第一电流的预定比率，其中，设置第二电流加至参考电流，以形成反馈电流，使得在直流条件下，第一电流可由参考电流、反馈电流和第一电流的比率与第一电流和第二电流的比率确定，其中，还布置第二装置随振荡器的振荡增大，降低第二电流，从而降低第一电流。

Description

用于振荡器的波幅电平控制电路

技术领域

本发明涉及一种用于控制振荡器振荡幅度的波幅电平控制电路。

背景技术

波幅电平控制电路通常用于在晶体振荡期间控制晶体振荡器的振荡幅度。然而，为了确保满足适当的振荡器启动条件，许多振荡器电路被设计为初始采用高增益。

优选地，通过降低偏置电流幅度来限制振荡电路的振荡幅度，以在振荡器接近最终振荡时降低它的增益，否则，振荡幅度将一直增加，直到振荡电平受到驱动放大器的大信号非线性限制。损耗机理，在没有其他装置时限制幅度，往往会引入频率误差。此外，过大的振荡幅度会引发过大的晶体驱动电平，这会导致长期频率漂移。

在US 6,194,973中描述的一个解决方案是采用振荡检测器来控制振荡器电流，使得随着振荡幅度的增大，驱动放大器的增益降低。

尽管这个解决方案允许在振荡启动时产生初始高增益，并随着振荡幅度的增加相应地降低增益，但该方案并不能简单地确定初始(即启动)电流，结果，初始电流可能会非常高，这将导致振荡器被禁止。

期望改善该方案。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于振荡器的波幅电平控制电路，该电路包括第一装置，该装置布置有交叉连接的栅极，以产生驱动振荡器的第一电流；还包括两个串联堆叠(series stacked)的晶体管配置，用于产生第二电流，使得在直流条件下，第二电流被设置为第一电流的预定比例，其中，第二电流被设置为加至参考电流，以形成反馈电流，使得在直流条件下，第一电流可由参考电流、反馈电流与第一电流的比率、第一电流与第二电流的比率确定，其中，除了当振荡信号处于振荡信号过零点附近的过渡区时，通过振荡器产生的振荡信号的正负半周关断两个串联堆叠的晶体管配置，进一步使这两个串联堆叠的晶体管配置随着振荡器的振荡增加降低第二电流，从而降低第一电流。

这提供了可简单地确定初始启动电流的优点，同时，一旦振荡幅度增大，还通过将振荡器增益降低到启动增益之下，降低功率消耗。

优选地，在直流条件下，第一电流可由参考电流与反馈电流和第一电流的比率之积除以1减去反馈电流和第一电流的比率与第一电流和第二电流的比率之积的差的商来得到。

优选地，反馈电路与第一电流的比率为递增比率。

优选地，第一电流与第二电流的比率为递减比率。

优选地，第二装置包括具有交叉连接的栅极的两个串联堆叠的器件。

适当地，波幅电平控制电路还包括用于产生参考电流的装置。

附图说明

现参考附图，说明作为示例的本发明的实施例，其中：

图1显示根据本发明实施例的波幅电平控制电路的图解电路图；

图2与图3说明使用根据本发明实施例的波幅电平控制电路的振荡器在加电时的波形。

具体实施方式

图1说明具有谐振器1、用于控制谐振器1幅度的波幅电平控制电路2和偏置电路5的振荡器电路10。

在本实施例中，谐振器1为皮尔斯型(Pierce-type)两针谐振器，通过在两个电容器C_A、C_B间嵌入晶体3形成。每个电容器在距晶体谐振器的远端与电压波节(voltage node)V_SS相连。

连接至谐振器1的输入A和输出B的是波幅电平控制电路2，布置该电路来产生很好限定的电流，从而在启动时以足够的增益来驱动谐振器1，并用完全受控的方式来初始振荡。然而，一旦谐振器1开始振荡，布置波幅电平控制电路将放大增益降低至保持振荡幅度为期望值的水平，由此避免了过多的功率损耗、晶体老化或与过度驱动振荡器相关的其他问题。

波幅电平控制电路2与偏置电路5相连，如下所述。偏置电路5包括其漏极与电压源V_DD相连的PMOS晶体管M4，且该晶体管以二极管结构放置(即其源极与栅极相连)。此外，PMOS晶体管M4的源极与偏置电阻R_BIAS相连，这里，偏置电阻R_BIAS通过使能开关NMOS晶体管M12连接至电压源V_SS。

连接至PMOS晶体管M4的栅极的是处于镜像结构中的经过低通滤波器4的另一个PMOS晶体管M3的栅极。低通滤波器4包括串联在PMOS晶体管M4和M3的栅极间的电阻器R_LP，和一端连接在PMOS晶体管M4和M3的栅极间，另一端连接至电压源V_DD的电容器C_LP。

低通滤波器4在波幅电平控制电路反馈环路中引入了主极点频率，以防止反馈环路的低频寄生振荡，如下所述。

PMOS晶体管M4与M3被设置作为第一电流反射镜工作，这里，电流反射镜的递增比率例如为8。

PMOS晶体管M3的源极与电源V_DD相连，且PMOS晶体管M3的漏极与NMOS晶体管M1的漏极相连。

NMOS晶体管M1的漏极还与皮尔斯谐振器1的输出B相连，而皮尔斯谐振器1的输入A与NMOS晶体管M1和M2的栅极相连，这里NMOS晶体管M1的源极与NMOS晶体管M2的漏极相连，且NMOS晶体管M2的源极与开关NMOS晶体管M9的漏极相连，晶体管M9的栅极与使能信号相连。开关NMOS晶体管M9的源极与V_SS相连。

PMOS晶体管M3和NMOS晶体管M1与M2用作皮尔斯谐振器1的放大器。该放大器通过PMOS晶体管M3和NMOS晶体管M1与M2形成，通过反馈电阻器R_FDB保持在有源或过渡区，R_FDB连接在NMOS晶体管M1和M2的栅极和NMOS晶体管M1的源极之间。

通过使能开关NMOS晶体管M9可使放大器激活或无效。

连接至皮尔斯谐振器1的输入与输出的是两个串联堆叠的NMOS晶体管配置M5、M6、M7、M8，它们具有交叉连接的栅极，使得NMOS晶体管M7与M6的栅极连接至谐振器1的输出B，且NMOS晶体管M8和M5的栅极连接至谐振器1的输入A。另外，MNOS晶体管M7与M5的漏极与PMOS晶体管M4的栅极相连。NMOS晶体管M7的源极与NMOS晶体管M8的漏极相连，而NMOS晶体管M8的源极通过使能开关NMOS晶体管M11与电压源V_SS相连。NMOS晶体管M5的源极与NMOS晶体管M6的漏极相连，且NMOS晶体管M6的源极通过使能开关NMOS晶体管M10连接至电压源V_SS。

这两个串联堆叠的NMOS晶体管M5、M6、M7、M8配置被布置为与NMOS晶体管M1和M2一起形成第二电流反射镜。第二电流反射镜被设置为具有电流递减的比率，如1/10。

要达到本发明的目的，也可用单堆叠代替两个串联堆叠的NMOS晶体管配置M5、M6、M7、M8，然而，使用两个串联堆叠的晶体管确保在振荡幅度增大时，甚至可在例如由于电容器C_A和C_B的差异造成谐振器1的输入A和输出B幅度不同时，降低反馈电流。

通过启动使能开关晶体管M12、M11、M10激活振荡器电路10，这会导致由电阻器R_BIAS产生的参考电流I_RBIAS从V_DD经过二极管设置的PMOS晶体管M4、电阻器R_BIAS和使能开关晶体管M12流向V_SS。

此外，一旦启动振荡电路10，反馈电阻器R_FDB确保NMOS晶体管M1和M2的平均栅极电压被设置为它们的平均漏极电压，从而保证它们用作二极管连接的MOS器件。相应地，由PMOS晶体管M4和M3形成的电流反射镜电路导致在振荡放大器(即PMOS晶体管M3和NMOS晶体管M1与M2)中形成关联的偏置电流。放大器电流I_BIAS取决于第一电流反射镜的递增比率。这确保放大器保持在目标工作点。从而，在没有振荡时，如同在振荡器启动时所看到的，器件M1与M2用作二极管连接的MOS器件，且分别控制在相应的NMOS器件堆M7与M8、M5与M6中的电流。这里，流经串联堆叠的NMOS晶体管的电流可由第二电流反射镜的递减比率确定。

由于串联堆叠的晶体管的输出连接至PMOS晶体管M4的栅极，串联堆叠的晶体管的输出电流被加至参考电流I_RBIAS，这将导致流经PMOS晶体管M3的电流的关联增加，利用PMOS晶体管M3形成与PMOS晶体管M4的电流反射镜。这致使这两个串联堆叠的NMOS晶体管配置M5、M6、M7、M8形成正反馈环路，该环路处于PMOS晶体管M4和偏置电阻R_BIAS形成的偏置电路5与PMOS晶体管M3和NMOS晶体管M1与M2形成的振荡放大器之间。

因此，PMOS晶体管M3在启动时提供的振荡器偏置电流I_BIAS可由参考电流I_RBIAS和两个电流反射镜的电流比率，通过下式求得：

I(BIASini)＝(I(RBIAS)×第一电流反射镜比)/(1-第一电流反射镜比×第二电流反射镜比)

该等式是都工作于饱和区的器件M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8和工作于线性区的使能器件M₉-M₁₁的推导结果。另外，为器件M1、M2、M5、M6、M7与M8以及三个使能器件M₉-M₁₁选择相同的沟道长度。在没有振荡时，NMOS器件堆中的电流为：

(1)I_M5＝I_M7＝I_M2*R₂I_M7＝I_M3*R₂

其中，R1通过相关器件的宽度比率进行设置：

R₂＝W_M5/W_M1＝W_M7/W_M1＝W_M10/W_M9＝W_M11/W_M9

注意：W_M1＝W_M2；W_M5＝W_M6；W_M7＝W_M8

类似地，PMOS器件M3和M4长度相等，因而器件M3中的电流与器件M4中的电流的关系为：

(2)I_M3＝I_M4*R₁

这里，R₁＝W_M3/W_M4

在没有振荡时，流入器件M1、M2、M3和M9的DC偏置电流I_BIAS可通过几步求得：

(3)I_M4＝I_RBIAS+I_M7+I_M5

代入(1)求出的I_M7和I_M5：

(4)I_M4＝I_RBIAS+I_M3*2*R₂

代入(2)求出的I_M4：

(5)I_M3/R₁＝I_RBIAS+I_M3*2*R₂

由上式可解得：

(6)I_M3＝I_BIAS＝I_RBIAS*R₁/(1-2*R₁*R₂)

因此，作为示例，如果选择产生37.6μA的DC偏置电流的偏置电阻器R_BIAS，设置第一电流反射镜的递增比率为8，设置第二电流反射镜的递减比率为1/10，则放大器偏置启动电流将为：

37.6μA×8/(1-8/10)＝1.5mA

由于两个串联堆叠的NMOS晶体管配置M5、M6、M7、M8与皮尔斯谐振器1的输入A和输出B连接，当谐振器1的振荡幅度增大时，振荡信号的正半周和负半周与两个串联堆叠的NMOS晶体管配置M5、M6、M7、M8相互作用，降低了输出电流，这是由于在每个半波期间，除了当它们在过零点附近的过渡区中时以外，反相信号控制的晶体管栅极将关断串联堆叠，由此可降低振荡器偏置电流I_BIAS，作为示例，可降低至启动电流的1/5，除非已经在更高的偏置电流下建立了最终振荡幅度。这是当电流流入堆叠的反馈器件M5、M6和M7、M8时，过零点附近的过渡区的持续期向着更高的振荡幅度变短的结果。

如果反馈电流变为小得可以忽略，那么有效电流比R2接近零；因此，可确定剩下的偏置电流：

(7)I_{BIAS_min}＝I_RBIAS*R₁

作为示例，它等于37.6μA×8＝301uA

由于电源电压V_DD只需比Vth+2*V_dsat大，这还具有允许波幅电平控制电路2适合约1.0至1.5V低电源电压的优点。

为了确定最小工作电压，要考虑两个不同的电流支路：

1)M3、M1、M2、和M9；

2a)M4、M5、M6、和M10；和等效的堆

2b)M4、M7、M8、和M11。

串联堆叠的器件M1和M2可被视为单个器件Mi。它的DC工作条件为：

V_{GS_M3}＝V_{DS_M3}＝V_{th_N}+V_{dsat_Mi}

器件M3工作于饱和态，这要求它的漏源电压必须大于它的饱和电压，即V_{ds_M3}＞V_{dsat_M3}。上面的条件要得到满足，需要：

VDD＞＝V_{th_N}+V_{dsat_Mi}+|V_{dsat_M3}|

类似地，对器件M4，注意到：

V_{GS_M4}＝V_{DS_M4}＝V_{th_P}+V_{dsat_M4}

串联堆叠的器件M5和M6可被视为单个器件Mf，它工作于饱和态；因此，V_{ds_Mf}＜V_{dsat_Mf}。上面的条件要得到满足，需要：

VDD＞＝V_{th_P}+|V_{dsat_M4}|+V_{dsat_Mf}

作为示例，门限电压为V_th＝V_{th_N}～＝-V_{th_P}～＝0.6V，且饱和电压为V_{dsat_N}～＝-V_{dsat_P}～＝0.25V。因此，最小电源电压为：

VDD_min＝V_th+2*V_dsat＝0.6V+2*0.25V＝1.1V

在上面的计算中，忽略了使能器件M9、M10和M11上的电压降。这些器件在低漏源电压V_ds＜0.05V下，工作于线性区，并且提高了一点点最小电源电压。

图2显示典型的放大器偏置电流I_BIAS与时间的图形，这里，配置波幅电平控制电路提供1.36mA的启动电流，并随着振荡幅度的增加降低偏置电流，本示例中，偏置电流在0.35mA时达到稳定。

图3显示振荡器节点B处的波形，并将振荡幅度的增加显示为时间的函数。还可注意到它的均值随时间降低，这是由于降低偏置电流造成的。

Claims (7)

1.用于振荡器的波幅电平控制电路，包括布置产生驱动振荡器的第一电流的第一装置，和布置产生第二电流的第二装置，使得在直流条件下，可将第二电流设定为第一电流的预定比率，其中，设置第二电流加至参考电流，以形成反馈电流，使得在直流条件下，第一电流可由参考电流、反馈电流和第一电流的比率与第一电流和第二电流的比率确定，其中，除了当振荡信号处于振荡信号过零点附近的过渡区时，通过由振荡器产生的振荡信号的正负半周关断第二装置，使该第二装置随着振荡器的振荡增大降低第二电流，由此降低第一电流。

2.根据权利要求1的波幅电平控制电路，其中，在直流条件下，第一电流可由参考电流与第一电流和反馈电流的比率之积除以1减去反馈电流和第一电流的比率与第一电流和第二电流的比率之积的差的商来确定。

4.根据权利要求1或2的波幅电平控制电路，其中，反馈电流和第一电流的比率为递增比率。

5.根据前述任一权利要求的波幅电平控制电路，其中，第一电流和第二电流的比率为递减比率。

6.根据前述任一权利要求的波幅电平控制电路，其中，第二装置包括两个具有交叉连接的栅极的串联堆叠器件。

8.根据前述任一权利要求的波幅电平控制电路，其中，振荡器包括皮尔斯晶体振荡器。

9.振荡电路，包括根据前述任一权利要求的波幅电平控制电路和振荡器。

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