專利名稱：一種晶體振蕩器電路結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子電路的晶體振蕩器領(lǐng)域，特別涉及一種低電壓、低功耗、高頻晶體振蕩電路結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
由于電池電源供電的電子電路的廣泛使用，電池壽命和電池功率是對(duì)電池電路性 能具有典型的限制因素。而隨著電池電源電路變得更加復(fù)雜，就需要更大的功率以及更長 的延遲時(shí)間，因此對(duì)于僅需要很少功耗，而能夠節(jié)約多數(shù)功耗為其他電路使用的晶體振蕩 器有日益增加的趨勢(shì)。對(duì)這樣盡可能小并具有盡可能少的外部連接的電路也保持持續(xù)的需求，而在對(duì)集 成電路中盡可能包含更多數(shù)量的電路元件需求也在增加。此外，由于無線通訊系統(tǒng)變得普及，對(duì)便攜式設(shè)備要求也變得普及，進(jìn)而對(duì)低價(jià)高 性能晶體振蕩器產(chǎn)生了需求。因此，需要在集成電路上占據(jù)極小面積并具有極可能少的外部連接的低功率晶體 振蕩器。還需要給出在集成電路上除了電源電壓和地之外只需要一個(gè)外部連接的低功耗晶 體振蕩器。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述技術(shù)問題和需求，本發(fā)明的目的是提供一種低電壓、低功耗、高頻晶體振 蕩電路結(jié)構(gòu)。解決上述發(fā)明目的的具體技術(shù)方案如下這種晶體振蕩電路結(jié)構(gòu)，包括一為整體電路提供啟動(dòng)信號(hào)的啟動(dòng)電路；一通過正反饋來提供大于單位增益的環(huán)路增益的差分主體電路；一用以限制信號(hào)輸出擺幅以及間接控制整體電路功耗的共模反饋電路；一用來提供直流低功耗電流的電流偏置電路；一為外部使用電路提供高頻信號(hào)時(shí)鐘的輸出驅(qū)動(dòng)電路；一電路諧振組件；上述電路中，所述啟動(dòng)電路與差分主體電路和電流偏置電路連接；所述電流偏置 電路還分別與差分主體電路和共模反饋電路連接；所述差分主體電路還分別與輸出驅(qū)動(dòng)電 路和電路諧振組件連接。上述方案中，所述啟動(dòng)電路包括與電源相連接的柵極NMOS管，以及與NMOS管漏極 相連的反相器。上述方案中，所述共模反饋電路由共源放大器以及跟隨器組成的幅度限制電路和 大的NMOS倒比管形成大阻抗器件的反饋組件組成。上述方案中，所述共模反饋電路包括兩個(gè)共模反饋NMOS管，以及兩條共模反饋支路。上述方案中，所述電流偏置電路包括鏡像電流作用的PMOS管，偏壓作用的NMOS管 以及通過調(diào)節(jié)電阻阻值來控制電流大小的電阻網(wǎng)絡(luò)。上述方案中，所述電流偏置電路還包括柵極與共模反饋電路輸出連接的NMOS管。上述方案中，所述電路諧振組件與差分主體電路(輸入/輸出)相并聯(lián)，由晶體振 蕩器和電容器構(gòu)成。根據(jù)上述本發(fā)明所公開的電路結(jié)構(gòu)，在電源上電后，啟動(dòng)電路迅速給予差分主體 電路臨時(shí)工作電流，差分主體電路開始工作，結(jié)合諧振器部分，輸出擺幅不斷增大，由于幅 度限制電路與呈大阻抗反饋組件組成的共模反饋電路作用，限制了不斷增大的擺幅，直至 擺幅達(dá)到新的平衡，輸出擺幅被限制在150mV左右，與此同時(shí)，差分主體電路中起正負(fù)反饋 作用的非線性管子作用，將輸出共模電平下拉，另外由于偏置電路的NMOS管柵級(jí)與共模電 平相接，則隨著共模電平降低，偏置電路的電流也跟著降低，而偏置電路為整體電路提供偏 置電流，因此減小了整體電路功耗。另外，該電路中采用差分高頻晶體振蕩器的主要目的是為了實(shí)現(xiàn)高頻晶體能夠在 低功耗情況下正常工作。頻率范圍為IMHz 13MHz的Pierce反相器型晶體振蕩器電路功 耗都在百微安以上，當(dāng)采用本發(fā)明方案而實(shí)際測(cè)得的IOMHz的差分型晶體振蕩器電路功耗 在10個(gè)uA左右。另外，由于常用的Pierce反相器型工藝為CMOS 0. 5um或者0. 35um，因此電源電壓 為3V或者5V，而本發(fā)明方案的實(shí)現(xiàn)工藝采用了 CMOS 0. 18um，因此采用了 1.8V的低電源電 壓，又因?yàn)殡娐返谋阒秒娐凡捎昧?PTAT，因此電源電壓可低至1. 3V。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
來進(jìn)一步說明本發(fā)明。

圖1是本發(fā)明晶體振蕩電路總體的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明晶體振蕩電路中包含差分主體電路(單元)以及電路諧振組件的電 路結(jié)構(gòu)示意圖。圖3a和圖3b分別是本發(fā)明晶體振蕩電路中電流偏置電路(單元)的兩種不同的 電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖4a和圖4b分別是本發(fā)明晶體振蕩電路中共模反饋電路所包含的反饋組件(單 元)的兩種不同的電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖5a、圖5b和圖5c分別是本發(fā)明晶體振蕩電路中共模反饋電路所包含的幅度限 制電路(單元)的三種不同的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié) 合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。如圖1所示，本發(fā)明所述的一種低電壓、低功耗、高頻晶體振蕩電路結(jié)構(gòu)，其配合 外接高頻晶體，輸出穩(wěn)定的兆級(jí)別頻率。整個(gè)電路按功能劃分成若干電路單元，包括啟動(dòng)單 元、電流偏置單元、共模反饋單元(包括幅度限制電路和反饋組件)、差分主體單元、輸出驅(qū)動(dòng)單元以及諧振組件。其中，所述啟動(dòng)單元為整體單元的啟動(dòng)電路，為差分主體單元、電流偏置單元的 輸入端；所述電流偏置電路為差分主體的輸入端；所述共模反饋單元為差分主體單元輸入 端；所述差分主體單元既外接高頻晶體，也為輸出驅(qū)動(dòng)單元的輸入端。所述啟動(dòng)單元作為 整體電路啟動(dòng)部分，與所述電流偏置單元、共模反饋單元、差分主體單元的相連接；所述電 流偏置單元的輸出端作為所述差分主體電路的第一輸入端，與所述差分主體單元的電流鏡 像部分相連接；所述共模反饋單元的輸出端作為所述差分主體電路的第二輸入端；所述差 分主體單元的輸出端與晶體振蕩器的輸出端相連接；所述差分主體單元的輸出端與晶體振 蕩器的輸出端相連接；所述差分主體單元的輸出端作為所述輸出驅(qū)動(dòng)單元的輸入端。在具 體工作過程中，通過將啟動(dòng)單元與差分主體單元、共模反饋單元、偏置電流單元分別對(duì)應(yīng)連 接；差分主體單元與并聯(lián)諧振電路組件、輸出驅(qū)動(dòng)單元相連接；并通過調(diào)節(jié)偏置電流部分 的電流，可以相應(yīng)調(diào)節(jié)整體電路的功耗，占用芯片面積小，功耗極低。下面列舉各單元的具體電路結(jié)構(gòu)以及特點(diǎn)。參見圖2，差分主體電路(單元)包括電流鏡像PMOS管(201、202)，跨接電容 203，正反饋匪OS管(204、205)，以及負(fù)反饋匪OS管(206、207)。在此實(shí)施過程中，電流偏置電路(單元)的端口(306或316)接差分主體單元的 端口 208，通過電流鏡像PMOS管(201、202)為差分主體電路(單元)提供其能夠需要工作 的電流；MOS管(204、205)起正反饋?zhàn)饔?，減小支路的阻抗；MOS管(204、205、206、207)選取 合適的(W/L)，可以使得整體功耗變得很小，也是差分主體電路核心所在。另外，差分主體單元的端口(209、210)與諧振晶體211、負(fù)載電容(212、213)相連 接；差分主體單元的端口(209、210)與輸出驅(qū)動(dòng)單元相連接。參見圖3a，實(shí)施例一中的電流偏置電路(單元)包括偏置電流生成PMOS管301， 負(fù)反饋NMOS管(302、303)，電流調(diào)節(jié)電阻304和穩(wěn)壓單元電容305。在此實(shí)施過程中，偏置電流單元端口 306與差分主體電路相連接，提供其所需要 工作電流；偏置電流單元端口 306與幅度限制電路相連接，提供其所需要工作電流；偏置電 流單元端口 307與差分主體單元、幅度限制單元相連接構(gòu)成共模反饋回路；電阻304可以調(diào) 節(jié)，用來調(diào)節(jié)偏置電流單元的功耗，進(jìn)而調(diào)節(jié)整體電路功耗；電容305用來穩(wěn)定端口 307上 的壓降。參見圖3b，實(shí)施例二中的電流偏置電路(單元)包括偏置電流生成管311，負(fù)反 饋NMOS管(312、313、314)和穩(wěn)壓單元電容315。在此實(shí)施過程中，偏置電流單元端口 316與差分主體電路相連接，提供其所需要 工作電流；偏置電流單元端口 316與幅度限制電路相連接，提供其所需要工作電流；偏置電 流單元端口 317與差分主體單元、幅度限制單元相連接構(gòu)成共模反饋回路；NMOS管314的 (L)可以調(diào)節(jié)，用來調(diào)節(jié)偏置電流單元的功耗，進(jìn)而調(diào)節(jié)整體電路功耗；電容315用來穩(wěn)定 端口 317上的壓降。參見圖4a，實(shí)施例一中的反饋組件(單元)包括電阻(401、402)。在此實(shí)施過程中，該反饋組件端口(403、404)與差分主體電路的(209、210)相連 接，組件端口 403與幅度限制單元相連接，形成共模反饋回路，組件端口 403與偏置電流單 元相連接。
參見圖4b，實(shí)施例二中的反饋組件(單元)包括NMOS管(411、412)；采用NMOS 管可以替代參考圖4a中的電阻(401、402)，而且在版圖上可以節(jié)約面積。在此實(shí)施過程中，本反饋組件端口(413、414)與差分主體電路(209、210)相連接， 組件端口 413與幅度限制單元相連接，形成共模反饋回路，組件端口 413與偏置電流單元相 連接。參見圖5a，實(shí)施例一中的幅度限制電路(單元)包括偏置PMOS管511，NOMS 二 極管(512、513)。在此實(shí)施過程中，幅度限制裝置的端口 514與偏置電路端口(306或316)相連接， 偏置幅度限制裝置所需電流，PMOS管511與NOMS 二極管(512、513)構(gòu)成低增益運(yùn)放；幅度 限制裝置端口 515與參考圖4a和圖4b中的反饋組件端口(405或415)相連接。參見圖5b，實(shí)施例二中的幅度限制電路(單元)包括偏置管521，NMOS跟隨管 526，負(fù)反饋NMOS管(522、525)，以及電流限制電阻(523,524) 在此實(shí)施過程中，幅度限制裝置的端口 529與偏置電路端口(306或316)相連接， 偏置幅度限制裝置所需電流；PMOS管521與NOMS 二極管522、電阻523構(gòu)成運(yùn)放；NMOS管 (525,526)、電阻524構(gòu)成跟隨器；幅度限制裝置端口 528與參考圖4a和圖4b中的反饋組 件端口 415相連接；幅度限制裝置端口 527與反饋組件端口 416相連接。參見圖5c，實(shí)施例三中的幅度限制電路(單元)包括偏置管531，NMOS跟隨管 536，負(fù)反饋 NMOS 管(532、533、534、535)。在此實(shí)施過程中，幅度限制裝置的端口 539與偏置電路端口(306或316)相連 接，偏置幅度限制裝置所需電流；PMOS管531與NOMS 二極管(532、533)構(gòu)成運(yùn)放；NMOS管 (534、535、536)構(gòu)成跟隨器；幅度限制裝置端口 538與參考圖4a和圖4b中的反饋組件端 口 415相連接；幅度限制裝置端口 537與反饋組件端口 416相連接。另外，啟動(dòng)單元和輸出驅(qū)動(dòng)單元的電路結(jié)構(gòu)為本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)手段，故不在此贅 述。不過需要指出的是其中啟動(dòng)單元為通用的簡易啟動(dòng)電路，通過電源上電的過程，產(chǎn)生 一個(gè)啟動(dòng)電平；輸出驅(qū)動(dòng)單元為正反饋再生比較器，由于要達(dá)到整體電路功耗比較低的緣 故，因此其輸出擺幅是比較小的，大概200mV不到，常用的反相器波形由于閾值為0. 7V左 右，很有可能不能翻轉(zhuǎn)，因此采用了正反饋再生比較器作為輸出驅(qū)動(dòng)單元，保證其buffer 的輸入共模能夠在低于0. 7V情況下工作。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù) 人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本 發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變 化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其 等效物界定。
權(quán)利要求
一種晶體振蕩器電路結(jié)構(gòu)，包括一為整體電路提供啟動(dòng)信號(hào)的啟動(dòng)電路；一通過正反饋來提供大于單位增益的環(huán)路增益的差分主體電路；一用以限制信號(hào)輸出擺幅以及間接控制整體電路功耗的共模反饋電路；一用來提供直流低功耗電流的電流偏置電路；一為外部使用電路提供高頻信號(hào)時(shí)鐘的輸出驅(qū)動(dòng)電路；一電路諧振組件；其特征在于，所述啟動(dòng)電路與差分主體電路和電流偏置電路連接；所述電流偏置電路還分別與差分主體電路和共模反饋電路連接；所述差分主體電路還分別與輸出驅(qū)動(dòng)電路和電路諧振組件連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的晶體振蕩器電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述啟動(dòng)電路包括與電源相 連接的柵極NM0S管，以及與NM0S管漏極相連的反相器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的晶體振蕩器電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述共模反饋電路由共源放 大器以及跟隨器組成的幅度限制電路和大的NM0S倒比管形成大阻抗器件的反饋組件組 成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的晶體振蕩器電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述共模反饋電路包括兩個(gè) 共模反饋NM0S管，以及兩條共模反饋支路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的晶體振蕩器電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電流偏置電路包括鏡像 電流作用的PM0S管，偏壓作用的NM0S管以及通過調(diào)節(jié)電阻阻值來控制電流大小的電阻網(wǎng)
6.根據(jù)權(quán)利要求5的晶體振蕩器電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電流偏置電路還包括柵 極與共模反饋電路輸出連接的NM0S管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的晶體振蕩器電路結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電路諧振組件與差分主 體電路相并聯(lián)，由晶體振蕩器和電容器構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低電壓、低功耗、高頻晶體振蕩電路結(jié)構(gòu)，配合外接高頻晶體，輸出穩(wěn)定的兆級(jí)別頻率，所述電路單元包括啟動(dòng)單元、電流偏置單元、共模反饋單元、差分主體單元、輸出驅(qū)動(dòng)單元。所述啟動(dòng)單元為整體單元的啟動(dòng)電路，為差分主體單元、電流偏置單元的輸入端；所述電流偏置電路為差分主體的輸入端；所述共模反饋單元為差分主體單元輸入端；所述差分主體單元既外接高頻晶體，也為輸出驅(qū)動(dòng)單元的輸入端。本發(fā)明采用差分結(jié)構(gòu)，所消耗功耗極低，電源電壓低且建立時(shí)間短。
文檔編號(hào)H03B5/00GK101834561SQ20101014240
公開日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月8日
發(fā)明者吳本偉, 喻昌遠(yuǎn), 張達(dá)文, 李勇飛, 楊華, 王加?xùn)|, 鮑清華 申請(qǐng)人:上海復(fù)控華龍微系統(tǒng)技術(shù)有限公司