[发明专利]低功率晶体振荡器

说明书

一种皮尔斯振荡器设置有跨导放大器晶体管，该跨导放大器晶体管具有DC漏极电压，该DC漏极电压独立于用于跨导放大器晶体管的DC栅极电压而被调节为等于基准电压。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年07月13日提交的美国专利申请No.15/649,475的权益和优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本申请涉及振荡器，并且更具体地涉及被配置成用于低功率操作和宽输出振幅摆幅的晶体振荡器。

背景技术

为了提供准确的时钟信号，常规上集成电路包括使用压电谐振器的晶体振荡器。由于其紧凑的设计，绝大多数晶体振荡器是皮尔斯振荡器，诸如图1的振荡器100。晶体或压电谐振器105具有驱动NMOS跨导放大器晶体管Mn1的栅极的一个端子和连接到其漏极的另一个端子。负载电容器C2连接在晶体管Mn1的漏极与地之间。类似地，另一个负载电容器C1连接在晶体管Mn1的栅极与地之间。反馈电阻器Rfb连接在晶体管M1的栅极与漏极之间，其漏极被来自电流源I_B的偏置电流偏置。

针对负载电容(C1+C2之和)，晶体105的振荡频率ω通常由其制造商指定在某个值处。然后，晶体管Mn1的栅极被偏置在某个直流(DC)输出电压V₀减去因子V₁cosωt下，其中V1是相对于DC输出电压V₀的输出电压摆幅的振幅。鉴于从晶体管Mn1的栅极至其漏极的负增益，漏极电压等于V₀+V₁cosωt。输出电压摆幅取决于晶体管Mn1的增益(跨导)。通常，希望输出电压摆幅尽可能大，以使漏极电压在地与为电流源I_B供电的电源电压VDD之间振荡。为了提供最大的输出摆幅，V₀电压应当因此等于电源电压VDD的一半。但是另一个问题是功耗，如果晶体管Mn1在亚阈值区域中操作，以使其栅极-源极电压小于其阈值电压，则功耗会降低。亚阈值操作中的晶体管Mn1的示例DC栅极电压(也是V₀电压)为300mV。因此可以理解，由于用于晶体管Mn1的栅极和漏极的DC电压之间的连接，最大化输出电压摆幅同时最小化放大器100的功耗彼此矛盾。

为了将晶体管Mn1的DC漏极电压和栅极电压去耦，已知使用第二晶体管(未图示)，以使晶体管Mn1的DC漏极电压等于其DC栅极电压加上第二晶体管的栅极-源极电压之和。因此，可以在晶体管Mn1的DC栅极电压适于亚阈值操作时，将漏极电压推至更靠近VDD/2的期望中轨水平。但是，DC漏极电压此时变得依赖于设置第二晶体管的栅极-源极电压的工艺、电压和温度角。另外，功耗仍然很高。因此，在本领域中需要具有降低的功耗和高增益的改进的皮尔斯振荡器。

发明内容

通过将第一晶体管的DC漏极电压和DC栅极电压去耦，可以改善皮尔斯振荡器的增益和输出电压摆幅。运算放大器通过负反馈环路偏置第一晶体管的栅极电压，将第一晶体管的漏极电压设置在期望水平。电流源利用偏置电流偏置第一晶体管，该偏置电流与第一晶体管的尺寸相结合以确保第一晶体管在亚阈值区域中操作。由于第一晶体管的降低的DC栅极电压确保了亚阈值操作而不会限制输出电压摆幅(因为DC漏极电压从DC栅极电压去耦)，所得的皮尔斯振荡器享有降低的功耗和增加的跨导增益。特别地，运算放大器可以将DC漏极电压调节在期望的水平(例如，皮尔斯振荡器的电源电压的一半)，以最大化输出电压摆幅。

通过在电流源中包括第二晶体管，可以进一步增强所公开的皮尔斯振荡器的跨导增益。来自晶体的振荡输入电压驱动第二晶体管的栅极和第一晶体管的栅极，使得两个晶体管都有助于跨导增益。通过下面的详细描述可以更好地理解这些和其他有利特征。

附图说明

图1是常规的皮尔斯振荡器的电路图。