[发明专利]可编程调整起振条件的低功耗、快速起振晶体振荡器模块

说明书

技术领域

本发明属于通信电子集成电路技术，涉及一种晶体振荡器，特别是涉及可编程调整起振条件的低功耗、快速起振晶体振荡器电路。

背景技术

随着便携式移动设备的发展，低功耗低成本成为集成电路设计的迫切要求。尤其便携式设备中电池供电的计时器设计更是要求低功耗低成本的晶体振荡器电路。对于一般的32.768KHz的晶体振荡器电路，一颗锂电池通常要求工作2～3年，甚至6年。这就对晶体振荡器电路的功耗提出了严格的限制，其工作电流的期望值为小于1μA。

然而，晶振快速起振的条件是需要较大的偏置电流以提供足够的增益，但大偏置电流会使其功耗增大，这就是低功耗晶体振荡器的一对突出矛盾。本领域的技术人员多年来一直致力于低功耗、快速起振晶体振荡器的研究。Vittoz E A等人在IEEE Journal of Solid-State Circuits，1988，23(3)：发表“High-performance crystal oscillator circuits：theory and application”一文，孟新等人在微电子学，2008，38(3)：发表“一种工作于亚阈值区的低功耗CMOS晶体振荡器”一文，他们较仔细地分析了晶体振荡器的起振条件和频率稳定度，但采用弱反型区工作的MOS管作反馈电阻，其阻值随工艺和温度将产生很大的变化，容易造成振荡器的不起振是其严重缺陷。Thommen W等人在Solid-State Circuits Conference，1999：发表“An improvedlow power crystal oscillator”一文，采用跨导放大器实现了大的反馈电阻，但反馈电阻固定，随工艺和温度变化，振荡器的起振条件将发生变化，容易不起振仍是其缺陷。陈曙等人在电子工程师，2004：发表“CMOS石英晶体振荡器的设计与实现”一文，采用高导通电阻的传输门来实现大的反馈电阻，但存在占用芯片面积较大和对工艺要求较高等缺陷。王跃等人在南开大学学报(自然科学版)，2007：发表“用于RTC的32.768KHz晶振电路的设计”一文，论文分析了晶体振荡器的起振条件，但没有提出解决低功耗的最佳技术方案，没有采用自动增益控制环路，因而功耗仍较大。

发明内容

本发明目的是为了克服已有技术的缺陷，从而实现一种低功耗、快速起振的可编程调整起振条件的晶体振荡器集成电路。

为了解决功耗和起振时间的矛盾，本发明提出一种自动增益控制环路结构的晶体振荡器模块，在晶体振荡器上电时，使反相放大器流过较大的偏置电流，使振荡器快速起振，当振荡幅度增大到输出方波以后，减小放大支路的偏置电流，降低功耗的同时也减小了相位噪声。本发明还提出一种采用微电流源跨导放大器结构实现的可编程调整的大阻值，从而实现了对振荡条件的可编程调整，同时将该微电流源跨导放大器结构用于实现自动增益控制环路的π型滤波器，减小了控制电压的波动。

为实现上述目的，提出一种低功耗、快速起振的可编程调整起振条件的晶体振荡器模块。在OSC单片上集成有反相放大器、反相整形器链、自动增益控制环路(AGC)、反馈电阻和功率限流电阻，并外接无源晶振和二个负载电容，构成一种起振条件可置的低功耗、快速起振的OSC电路。反相放大器由反馈电阻确定静态工作点，再接反相整形器链对输出正弦波整形，最终输出方波。自动增益控制环路的输入端连接反相放大器INV1的输入端XIN，输出端连接反相放大器INV1的偏置输入端。反馈电阻为可编程调整阻值的微电流源跨导放大器，可以实现对晶振振荡条件的调整。自动增益控制环路的π型滤波器也采用微电流源跨导放大器，有效减小了控制电压的波动，并能够编程调整π型滤波器中的电阻，实现更好的滤波效果。本发明目的是通过以下的技术方案来实现。

可编程调整起振条件的低功耗、快速起振晶体振荡器模块包括单片集成的反相放大器INV1、反相整形器链INV2、自动增益控制环路AGC、反馈电阻和功率限流电阻，以及外接的无源晶振和负载电容网络。

反相放大器INV1输入端连接外接无源晶振和负载电容网络的输出端XIN，反相放大器INV1的输入端与输出端之间接入一反馈电阻R1，在反相放大器INV1的输入端与偏置端之间接入一个自动增益控制环路AGC；外接无源晶振和负载电容网络的输出端XOUT经功率限流电阻R2连接反相放大器INV1输出端，反相放大器INV1输出端连接反相整形器链INV2的输入端，反相整形器链INV2的输出端为OSC_OUT；