CN201298823Y - Cmos电流自动控制晶体振荡器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种CMOS电流自动控制Colpittis晶体振荡器，能够使CMOS振荡电路启动时快速建立振荡，振荡产生后又很快调整偏置，使振荡电路稳定在维持振荡的最小电流状态。技术方案：包括振荡电路(1)、幅度检测电路(2)、自动增益控制电路(3)、电流源(4)和电平检测单元(5)；其中电流源(4)接振荡电路(1)，振荡电路(1)信号输出端接振荡信号幅度检测电路(2)，幅度检测电路(2)信号输出端接自动增益控制电路(3)，自动增益控制电路(3)的反馈信号输出端接电流源(4)用以控制偏置电流；振荡电路(1)的信号输出端还接电平检测单元(5)，电平检测单元(5)的关断信号输出端接电流源(4)和自动增益控制电路(3)。

Description

CMOS电流自动控制晶体振荡器

技术领域

本实用新型涉及一种CMOS工艺的电流自动控制Colpittis晶体振荡器。

背景技术

振荡器是众多电子产品的必要部分，而晶体振荡器凭借其高精度和高频率稳定度这一特点，在电子技术领域中占有重要的地位。尤其是信息技术(IT)产业的高速发展，更使晶体振荡器焕发出勃勃生机。晶体振荡器在通信系统、移动电话系统、全球定位系统(GPS)、导航、遥控、航空航天、高速计算机、精密计测仪器及消费类民用电子产品中，作为标准频率源或脉冲信号源，提供频率基准，是目前其它类型的振荡器所不能替代的。晶体振荡器是在没有外加输入信号的条件下，依靠晶体的压电特性、有源激励和无源电抗网络产生振荡。在CMOS工艺条件下，常用的振荡器形式有两种，Pierce振荡器和Colpittis振荡器，二者依据的都是三点式振荡原理，Pierce振荡器需要接晶体的两端，但是在许多电路应用中要求晶体单端连接，Colpittis振荡器就体现出了应用优势，而且Colpittis振荡器的谐波特性好过Pierce振荡器。然而在振荡建立方面，Colpittis振荡器相对于Pierce振荡器不容易起振，起振时间长，功耗也较大。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是提供一种CMOS电流自动控制Colpittis晶体振荡器，使CMOS振荡电路启动时快速建立振荡，振荡产生后又很快调整偏置，使振荡电路稳定在维持振荡的最小电流状态。

实现本实用新型发明目的的技术方案：

一种CMOS电流自动控制Colpittis晶体振荡器，其特征在于：包括振荡电路(1)、幅度检测电路(2)、自动增益控制电路(3)、电流源(4)和电平检测单元(5)；其中电流源(4)接振荡电路(1)，振荡电路(1)信号输出端接幅度检测电路(2)，幅度检测电路(2)信号输出端接自动增益控制电路(3)，自动增益控制电路(3)的反馈信号输出端接电流源(4)用以控制偏置电流；振荡电路(1)的信号输出端还接电平检测单元(5)，电平检测单元(5)的关断信号输出端接电流源(4)和自动增益控制电路(3)。

有益效果：

本实用新型通过采用幅度检测和自动增益控制的方法，调整电流源的偏置，从而保证CMOS振荡电路启动时快速建立振荡，振荡产生后又很快调整偏置，使振荡电路稳定在维持振荡的最小电流状态，有效地提高了起振速度，降低了功耗。

附图说明

图1为本实用新型的电路结构框图；

图2为本实用新型的振荡和电平检测功能框图；

图3为本实用新型各模块的电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，电流源4接振荡电路1，为振荡电路提供偏置电流，振荡电路1信号输出端接幅度检测电路2，幅度检测电路2信号输出端接自动增益控制电路3，自动增益控制电路3的反馈信号输出端接电流源4用以控制偏置电流。

如图2所示，振荡电路1的信号输出端还接电平检测单元5，电平检测单元5的关断信号输出端接电流源4和自动增益控制电路3。

如图3所示，振荡电路由NMOS主振管M1与电阻R1、R2、R3组成；主振管M1栅极同时与电阻R3和幅度检测电路的信号输入端连接，主振管M1源极接振荡电容Co1、Co2和电平检测单元的信号输入端；振荡电容Co1、Co2串联后与晶体并联，电阻R1和R2串联在电源和地之间，串联点连接电阻R3。

幅度检测电路由NMOS管M3、电容C1、电阻R4组成，电容C1与电阻R4串联，串联点接NMOS管M3的栅极，电容C1接主振管M1的栅极。

自动增益控制电路由PMOS管M4、两个电容C2、C3和一个电阻R5组成，PMOS管M4的漏极接电容C2和电阻R5，PMOS管M4的漏极还与NMOS管M3的漏极相接，电阻R5和电容C3串接，电容C3接NMOS管M3的源极并且连接到地。

电平检测单元由两个PMOS管M5、M7、两个NMOS管M6、M8、一个反相器组成，PMOS管M5的源极与NMOS管M6的漏极并联，连接至主振管M1的源极，M5的漏极与M6的源极并联，连接至PMOS管M7、NMOS管M8的栅极；PMOS管M5的栅极与NMOS管M6的栅极相连，PMOS管M7的漏极和NMOS管M8的漏极相连，接至反相器INV的信号输入端。NMOS管M2为电流源中的NMOS管。

振荡电路由电流源提供电流偏置，与晶体和两个电容构成三点式振荡，产生增益，形成振荡信号。振荡信号Vosci经过幅度检测电路的检测后输出直流电平Vdiff，此电平包含了振荡幅度大小的信息。Vdiff送到自动增益控制电路进行增益判断，并调整输出信号，即反馈信号Vf，送回电流源，改变电流，调整振荡电路的偏置。由此，振荡电路的振荡在偏置电流和反馈电路的共同调整下达到稳定。

三点式振荡产生的另一个振荡信号Vosco与Vosci频率相同，相位相反。电平检测单元采用Vosco和振荡电路送出的参考电平Vref进行比较，输出判断电平Vpd，作为电流源和自动增益控制电路的使能关断信号。Vref是Vosci的偏置电平，Vosco的偏置电平比Vosci的偏置电平低一个栅源阈值电平Vt。因而，在使用晶体产生振荡时，Vosco的电平一定比Vref低，Vpd输出低电平，维持振荡电路和电流源工作。在使用外送振荡源时，置Vosco于电源电压，Vosco和Vref的比较输出电平Vpd为高电平，此时电流源和自动增益控制电路关断，保证振荡电路及所有反馈电路零功耗。

当电路通电时，因为无电平比较结果，所以Vpd的初始状态为低电平，PMOS管M4导通，电容C2被充电，电源电平引入到Vdiff点。由于NMOS管M3的栅极有电阻R4连接到地，因而在最初上电未建立振荡时，M3是关闭的。Vdiff点的电源电平因此由电阻R5引入到Vf点。NMOS管M9因Vpd为低电平而关闭，C3是个小电容，能够快速累计电荷，使Vf稳定，电流源NMOS管M2在栅极电压Vf的高偏置下迅速导通至饱和。振荡电路中的电阻R1和R2产生分压参考电平Vref，通过电阻R3提供给振荡NMOS管M1的栅极，R3的作用是隔离Vref和Vosci，因而R3通常会设定为一个大电阻。现在振荡管M1的栅极偏置存在，电流源M2已经建立电流，振荡电路于是与晶体和两个电容Co1、Co2形成三点式，迅速形成振荡，由于M2的偏置处于最高，产生的漏源电流为最大，流过M1的漏源电流也为最大，因而实现快速启动振荡。

振荡一旦建立，振荡信号通过电容C1和电阻R4被滤波采集到NMOS管M3的栅极，当C1交流耦合振荡的正幅度时，幅度超过M3的栅源阈值电平Vt使M3导通，一旦M3导通，电容C2上的电荷就开始释放，Vdiff和Vf电平开始下降，下降的快慢延时由电阻R5和电容C3决定。Vf电平的下降导致电流源NMOS管M2的漏源电流减小，振荡管M1的偏置电流减小，振荡幅度随之减小。当振荡幅度减小时，电容C1耦合至M3栅极的幅度也减小，令M3导通的过电压就减小，导通时间和电流都变小，电容C2的电荷放电减缓，Vdiff下降变慢。因而Vf的下降也变缓，直接的结果是电流源M2和振荡管M1的电流下降变慢，振荡幅度继续减小，但是减小幅度变小。如此反馈，振荡幅度和电流在一次次的反馈检测中进行调整，最终达到稳定平衡，即达到保持振荡的最小电流。如果初始的振荡幅度很大，电容C1耦合到M3的栅极幅度与阈值电平Vt之间的过电压很大，令M3导通时间和电流都很大，那么C2上的电荷被大量释放，Vdiff和Vf迅速下降，Vf下降到M2的栅源阈值电平Vt以下，不足以导通M2时，M2关断，给M1提供的偏置电流为零，振荡停止。当振荡停止时，电阻R4把M3的栅极电压拉为低电平，关闭M3，电容C2重新开始充电，Vdiff和Vf重新建立电平，重新开启电流源NMOS管M2，为M1提供偏置电流，振荡重新建立。

电平检测单元引入振荡信号Vosco进行电平判别。PMOS管M5和NMOS管M6形成一个传输门，由参考电平Vref驱动，传输门输出端接电容C4。当Vosco高过Vref时，PMOS管M5导通；当Vosco低过Vref时，NMOS管M6导通。传输门实现的是电阻功能，与输出端的电容C4共同对Vosco进行滤波。传输门输出端接到由一个PMOS管M7和一个NMOS管M8组成的反相器输入端，这个反相器的两个管子的栅源阈值电平与普通电平不同。PMOS管M7的栅源阈值电平设置得非常低，使得M7很容易导通；而NMOS管M8的栅源阈值电平设置得非常高，使M8很难导通，这样，反相器的阈值电平被提高，不易发生翻转。当振荡信号由晶体振荡电路产生时，由于Vosco的直流偏置比Vosci的直流偏置Vref低一个栅源阈值电平Vt，而且Vosco的振荡幅度与Vt相当，因而，反相器的输入电平通常较低，加上阈值电平较高，反相器输出定为高电平，加上后级的INV，Vpd始终保持在低电平，保证振荡电路持续工作。

而当振荡信号由外部信号源产生Vin并送到Vosci时，振荡电路中除电阻R1、R2和R3外，其他电路都要关断，目的是节省电路功耗和避免器件干扰。此时要把Vosco置为电源电压，反相器的输入电平接近高电平，导致反相器翻转，Vpd跳变为高电平，送入自动增益控制电路关断PMOS管M4，开启电流源中NMOS管M9，Vdiff和Vf被拉为低电平，电流源NMOS管M2关闭，电流通路关断，振荡偏置消失，振荡电路停止工作。

Claims (6)

1、一种CMOS电流自动控制晶体振荡器，其特征在于：

包括振荡电路(1)、幅度检测电路(2)、自动增益控制电路(3)、电流源

(4)和电平检测单元(5)；

其中电流源(4)接振荡电路(1)，振荡电路(1)信号输出端接振荡信号幅度检测电路(2)，幅度检测电路(2)信号输出端接自动增益控制电路(3)，自动增益控制电路(3)的反馈信号输出端接电流源(4)用以控制偏置电流；

振荡电路(1)的信号输出端还接电平检测单元(5)，电平检测单元(5)的关断信号输出端接电流源(4)和自动增益控制电路(3)。

2、根据权利要求1所述的电流自动控制晶体振荡器，其特征在于：振荡电路(1)由NMOS主振管(M1)与电阻(R1)、电阻(R2)、电阻(R3)组成；主振管(M1)栅极同时与电阻(R3)、振荡电容(Co1)和幅度检测电路(2)的信号输入端连接，主振管(M1)源极接振荡电容(Co1)、电容(Co2)、电流源(4)的输出端和电平检测单元(5)的信号输入端，主振管(M1)漏极接电源；振荡电容(Co1)、电容(Co2)串联后与晶体并联；电容(Co2)与晶体的连接点连接到地；电阻(R1)和电阻(R2)串联在电源和地之间，串联点连接电阻(R3)。

3、根据权利要求1所述的电流自动控制晶体振荡器，其特征在于：电流源(4)由NMOS管(M2)和NMOS管(M9)组成；NMOS管(M2)的漏极接主振管(M1)的源极，NMOS管(M9)的漏极接NMOS管(M2)的栅极，同时连接到自动增益控制电路(3)的输出端，NMOS管(M2)和NMOS管(M9)的源极相连并且连接到地。

4、根据权利要求1所述的电流自动控制晶体振荡器，其特征在于：幅度检测电路(2)由NMOS管(M3)、电容(C1)、电阻(R4)组成，电容(C1)与电阻(R4)串联，串联点接NMOS管(M3)的栅极，电容(C1)接主振管(M1)的栅极，NMOS管(M3)的漏极为输出端，NMOS管(M3)的源极与电阻(R4)相连并连接到地。

5、根据权利要求1所述的电流自动控制晶体振荡器，其特征在于：自动增益控制电路(3)由PMOS管(M4)、两个电容(C2)、电容(C3)和一个电阻(R5)组成，PMOS管(M4)的漏极接电容(C2)和电阻(R5)，PMOS管(M4)的漏极还与NMOS管(M3)的漏极相接，PMOS管(M4)的源极接电源，电阻(R5)和电容(C3)串接，串联点为输出端，电容(C3)接NMOS管(M3)的源极并且连接到地。

6、根据权利要求1所述的电流自动控制晶体振荡器，其特征在于：电平检测单元(5)由两个PMOS管(M5)、PMOS管(M7)、两个NMOS管(M6)、NMOS管(M8)、一个反相器组成，PMOS管(M5)的源极与NMOS管(M6)的漏极并联，连接至主振管(M1)的源极，PMOS管(M5)的漏极与M6的源极并联，连接至PMOS管(M7)、NMOS管(M8)的栅极；PMOS管(M5)的栅极与NMOS管(M6)的栅极相连，PMOS管(M7)的漏极和NMOS管(M8)的漏极相连，接至反相器的输入端，反相器的输出端接电流源(4)的NMOS管(M9)和自动增益控制电路(3)的PMOS管(M4)的栅极。

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