[发明专利]一种极低功耗石英晶体振荡电路

说明书

技术领域

本发明涉及石英晶体振荡器电路的技术领域，具体来说是一种低功耗高精度的石英晶体振荡器电路，主要应用于实时时钟振荡、时间计量电路、时钟系统等与实时时钟领域的相关技术。

背景技术

石英实时时钟是现实生活中普遍应用的时间计量系统，具有时间精度高、一致性好、成本优势明显等优点。已广泛的应用与各种手表、时间显示、计时收费、标准时间、分时计量等领域。随着石英成本的逐渐降低及半导体技术的高速发展，石英震荡时钟系统将逐渐取代传统的时钟系统成为主流的实时时钟计量系统。目前采用铝栅工艺制成的晶体谐振电路，其计时一致性差、电路调节能力不足、功耗较高，成为目前实时时钟计量系统的瓶颈。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种减小石英晶体振荡功耗的电路和方法，使石英晶体在纳安级工作电流下稳定振荡。同时集成各种辅助的计时功能，降低系统成本，提高系统的集成度和一致性。

本发明的技术方案为：

一种极低功耗石英晶体振荡电路，包括4个P型MOS管，4个N型MOS管，1个反相器，1个延迟单元，1个运算放大器，2个电流源，两个开关，所述的2个电流源包括维持电流源I_H和擎住电流源I_L，其特征在于，其电路连接方式为：

维持电流源I_H的下端与第一开关S1的上端连接；擎住电流源I_L的下端与第二开关S2的上端连接；第一开关S1的下端与第二开关S2的下端、第一N型MOS管NM1的漏极、第一N型MOS管NM1的栅极、第二N型MOS管NM2的栅极连接；第二N型MOS管NM2的漏极与运算放大器的反向输入端、第一P型MOS管PM1的漏极、第一P型MOS管PM1的栅极、第二P型MOS管PM2的栅极连接；第二P型MOS管PM2的漏极与运算放大器的偏置段连接；第三P型MOS管PM3的栅极与石英晶振的左端、第四N型MOS管NM4的栅极连接；第三P型MOS管PM3的漏极与石英晶振的右端、第四N型MOS管NM4的漏极、延迟单元左端连接；第四N型MOS管NM4的源级与运算放大器的正向输入端、第三N型MOS管NM3的漏级连接；第三N型MOS管NM3的栅极与运算放大器的输出端、第四P型MOS管PM4的漏级连接；第四P型MOS管PM4的栅极与延迟单元的右端、反相器的输入端、第一开关S1的控制端连接；反相器的输出端与第二开关S2的控制端连接；

维持电流源I_H的上端、擎住电流源I_L的上端、第一P型MOS管PM1的源级、第二P型MOS管PM2的源级、第三P型MOS管PM3的源级、第四P型MOS管PM4的源级与电源VDD连接；

第一N型MOS管NM1的源级、第二N型MOS管NM2的源级、第三N型MOS管NM3的源级与地GND连接。

所述运算放大器为折叠式共源共栅放大器，包括3个P型MOS管、2个N型MOS管，其电路连接方式为：

第一N型MOS管NM1的栅极与第一N型MOS管NM1的漏级、第二N型MOS管NM2的栅极、第二P型MOS管PM2的漏极连接；第二N型MOS管NM2的漏极与第三P型MOS管PM3的漏极、该运算放大器的输出端V_OUT连接；第二P型MOS管PM2的栅极与运算放大器的正向输入端VIP连接；第三P型MOS管PM3的栅极与运算放大器的反向输入端VIN连接；第二P型MOS管PM2的源级与第三P型MOS管PM3的源级、第一P型MOS管PM1的漏级连接；第一P型MOS管PM1的栅极与偏置电压VBP连接；

第一P型MOS管MP1的源极电源VDD连接；

第一N型MOS管NM1的源极、第二N型MOS管NM2的源极地GND连接。

其工作原理如下：

石英晶体在起振阶段以较大的电流工作。当石英晶体稳定振荡一定时间后，通过减小石英晶体振荡放大器的尾电流，使石英晶体在纳安级工作电流下稳定振荡。

1.石英晶体的振荡放大电路是由PM3和NM4管构成，这两个管子的工作电流是由NM3管的漏极电流和漏极电压决定；

2.在石英晶体的起振阶段，NM1管的漏极电流是由电流较大的电流源I_H供给；

3.在石英晶体的起振阶段，VC1端为低电平，PM4管导通，这时NM3管的栅极电压为VDD，从而使石英晶体的振荡放大电路工作在较大工作电流下；

4.NM1管和NM2管以及PM1管和PM2管构成电流镜给运算放大器OPA提供偏置电流；