[发明专利]种超低功耗快速启动晶体振荡器电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种超低功耗快速启动晶体振荡器电路，用于数字电路或频率合成器电路的参考时钟源，属于集成电路技术领域。

背景技术

       参考时钟源是数字电路和频率合成器电路的心脏。数字电路中所有逻辑电路都在时钟的驱动下工作，数字电路的时钟通过参考时钟直接或分频电路产生。频率合成器电路也是时钟产生电路，输入为参考时钟源，输出为频率可调的时钟信号。因此，参考时钟源对数字电路和频率合成器电路起至关重要的作用。

参考时钟源一般通过晶体振荡器电路产生。晶体振荡器电路利用石英晶体和电容构成谐振网络，通过放大器组成负阻振荡器。石英晶体具有压电效应，能将电信号转换成晶体振动，反之，晶体的振动可以转变成电信号。石英晶体的固有振荡频率即谐振频率，石英晶体具有稳定的固有频率，因此振荡器能输出稳定的参考频率。

随着物联网技术与无线传感网技术的发展，采用电池供电的节点得到越来越广泛的应用，受到电池容量的限制，用于电池供电的节点芯片最重要的一个指标就是功耗。芯片功耗的大小也决定了电池的使用时间。特别对于传感器节点而言，一个节点要求一个电池能工作数年时间，节点芯片的工作时间非常短，一般是相隔固定时间采样一次数据，芯片大部分时间都工作在待机模式。在待机模式下，芯片大部分电路都处于关闭状态，为了保证芯片能定时唤醒，芯片必须有定时时钟，也就是内部参考时钟源处于工作状态，因此，在待机模式下，芯片内部振荡器的功耗决定了整体芯片的待机功耗，而对于大部分时间处于待机模式的传感器节点而言，内部振荡器的功耗也就决定了电池的使用时间。总之，超低功耗振荡器的设计已成为低功耗芯片设计的一个主要挑战。此外，对于无线通信而言，数据通信时间一般很短，为了减少通信信道的占用时间，一般要求芯片具有短的启动时间，因此要求振荡器能在极短的时间内起振工作。

传统晶体振荡器电路如图1所示，振荡器电路由反相器INV，石英晶体Crystal，电容Cp1，Cp2，电阻R以及输出缓冲器组成。石英晶体与电容Cp1，Cp2组成谐振网络，谐振网络的中心频率即为石英晶体的固有振荡频率，反相器INV与谐振网络构成负阻振荡器，电阻R为反馈电阻，可以防止石英晶体过激励而损坏。输出缓冲器为晶体振荡器提供足够的输出带负载能力。该振荡器的功耗与启动时间由反相器INV和电阻R决定，反相器INV的驱动能力越强，电阻R越大，振荡器的启动时间短，但是功耗大。反之，电阻越小，振荡器功耗小，但是振荡器可能停振。因此，传统晶体振荡器不能同时解决低功耗和启动时间短的问题。

发明内容

本发明目的是为了克服已有技术性能和结构上的局限，提出一种超低功耗快速启动晶体振荡器电路，电路通过幅度检测与电流控制实现了快速启动，同时具有低功耗的特点。本发明可以用于数字电路或频率合成器电路的参考时钟源。

本发明采用无源石英晶体，通过低功耗振荡器电路快速启动振荡器，产生方波或矩形波时钟信号。该晶体振荡器电路的输出信号为数字电路或频率合成器电路提供精确的参考时钟。

本发明包括：自偏置的AB类放大器、信号幅度检测电路、基准电流产生电路、电流镜像电路、石英晶体谐振电路、数字逻辑控制电路，所述信号幅度检测电路的输入端连接自偏置的AB类放大器，信号幅度检测电路的输出端连接基准电流产生电路，基准电流产生电路的输出端连接电流镜像电路，电流镜像电路的输出端再连接自偏置的AB类放大器，石英晶体谐振电路的两端连接自偏置的AB类放大器的输入端和输出端，自偏置的AB类放大器输出端通过输出缓冲器连接数字逻辑控制电路的输入端，数字逻辑控制电路的控制逻辑信号输出端分别接基准电流产生电路、电流镜像电路；

所述自偏置的AB类放大器的直流工作点由放大器自己偏置，放大器的工作状态为AB类，放大器的增益由通过本身的电流决定；

所述信号幅度检测电路将自偏置AB类放大器的输入交流信号变换成直流电压信号，它的输出由基准电流产生电路变换成直流电流；

所述电流镜像电路，将基准电流产生电路产生的直流电流比例的镜像后给自偏置的AB类放大器提供直流电流；

所述石英晶体谐振电路，作为选频网络，与自偏置的AB类放大器组成负阻振荡电路，产生出固定频率的振荡信号，电路的振荡频率由石英晶体本身的固有频率决定；