專利名稱：一種石英晶振主電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于振蕩集成電路領(lǐng)域，尤其涉及一種石英晶振主電路。
背景技術(shù)：
石英晶體集成電路振蕩器是射頻通信系統(tǒng)和數(shù)字電路的重要集成模塊，由于其具有很高 的空載品質(zhì)因素和極小的接入系數(shù)，因此有很高的頻率穩(wěn)定度和很低的相位噪聲，從而可以 提供很準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號(hào)基準(zhǔn)。
圖l示出了一個(gè)典型的電容三點(diǎn)式Colpitts結(jié)構(gòu)并聯(lián)型石英晶振主電路的構(gòu)成，其中包 含了石英晶體J1、電容C1和C2、反相放大器、偏置電壓產(chǎn)生電路、參考電平產(chǎn)生電路以及峰 值檢測(cè)比較電路。在振蕩頻率處石英晶體J1等效為一個(gè)電感，從而和外部的電容C1、 C2構(gòu)成 電容三點(diǎn)式LC振蕩器。
當(dāng)振蕩器電路滿足小信號(hào)的起振條件，在電源上電的時(shí)候，由于電路中的噪聲干擾的作 用，既開始有瞬變電流的產(chǎn)生，這個(gè)瞬變電流所包含的頻帶極寬，但是由于選頻回路的選頻 作用，它只選擇出了本身諧振頻率的信號(hào)，由于正反饋的作用，導(dǎo)致諧振頻率信號(hào)越來越強(qiáng) ，在振蕩建立的過程中，隨著諧振頻率信號(hào)越來越強(qiáng)，振蕩器從小信號(hào)工作條件逐漸變?yōu)?大信號(hào)工作。如果外界不加任何措施，放大器就從線性放大器過渡到非線性放大器，即振蕩 晶體管進(jìn)入了它的輸出特性曲線的可變電阻區(qū)和截止區(qū)，其源漏極電流包含了豐富的諧波， 會(huì)造成輸出信號(hào)的波形失真，而且過大的振蕩信號(hào)幅度不僅會(huì)使后面的電路發(fā)生過載從而產(chǎn) 生非線性失真，并會(huì)對(duì)系統(tǒng)的其他模塊造成電磁輻射干擾以及加快石英晶體J1的老化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種石英晶振主電路，旨在解決振蕩電路在大信號(hào)工作條件下 ，沒有外界的增益控制將造成輸出信號(hào)波形失真等問題。 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
一種石英晶振主電路，包括一個(gè)石英晶體和2個(gè)電容構(gòu)成的三點(diǎn)式振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)、 偏置電壓產(chǎn)生電路，與偏置電壓產(chǎn)生電路連接的參考電平產(chǎn)生電路及峰值檢測(cè)比較電路，還包括與參考電平產(chǎn)生電路及峰值檢測(cè)比較電路、選頻網(wǎng)絡(luò)均連接的反饋增益控制電路，用于 在選頻網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)超過參考電平產(chǎn)生電路及峰值檢測(cè)比較電路產(chǎn)生的參考電平時(shí)，自動(dòng) 控制選頻網(wǎng)絡(luò)中振蕩晶體管的增益直至振蕩器達(dá)到平衡；所述選頻網(wǎng)絡(luò)通過隔直電容與參考 電平產(chǎn)生電路及峰值檢測(cè)比較電路連接。
所述反饋增益控制電路包括輸入端與所述參考電平產(chǎn)生電路及峰值檢測(cè)比較電路連接的 、由l個(gè)電阻和2個(gè)電容組成的i:形低通濾波器，及柵極與所述i:形低通濾波器的輸出端連接 、源極與電源電壓連接的第一PMOS晶體管(M5)，及源極與所述第一PMOS晶體管(M5)的漏 極連接、柵極與所述選頻網(wǎng)絡(luò)連接的第二PMOS晶體管(M4)。
所述參考電平產(chǎn)生電路及峰值檢測(cè)比較電路包括柵極與所述偏置電壓產(chǎn)生電路連接的第 一NM0S晶體管(Ml)，漏極與所述第一NMOS晶體管(Ml)的源極連接、源極與電源電壓連接 的第三PMOS晶體管(M2)，柵極與所述第三PMOS晶體管(M2)的柵極及選頻網(wǎng)絡(luò)連接的第四 PM0S晶體管(M3)。
在所述選頻網(wǎng)絡(luò)與第二PMOS晶體管(M4)之間、選頻網(wǎng)絡(luò)與第四PMOS晶體管(M3)之間 還分別具有由電阻和二極管組成的靜電放電保護(hù)電路；在所述第一PMOS晶體管(M5)的柵極 與電源電壓之間還具有鉗位二極管。
本發(fā)明的突出優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明通過反饋增益控制電路，可以有效地起到對(duì)振蕩器的自動(dòng) 增益控制，而且通過調(diào)節(jié)參考電平的大小就可以控制自動(dòng)增益控制反饋電路起作用時(shí)的振蕩 幅度的大小，從而可以控制平衡時(shí)的振蕩輸出信號(hào)的幅度和電路功耗的大小。


圖l是典型的電容三點(diǎn)式Colpitts結(jié)構(gòu)并聯(lián)型石英晶振主電路構(gòu)成示意圖； 圖2是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例提供的Colpitts結(jié)構(gòu)石英晶振主電路圖。
具體實(shí)施例方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā) 明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用 于限定本發(fā)明。
圖2示出了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例提供的Colpitts結(jié)構(gòu)石英晶振的主電路。在本發(fā)明實(shí)施例中，NM0S型晶體管M1、 PM0S型晶體管M2、 M3及電阻R5、 R6組成跟蹤工藝 變化的參考電平產(chǎn)生電路及峰值檢測(cè)比較電路。片外的石英晶體J1和電容C1、 C2構(gòu)成的三點(diǎn) 式振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)，通過隔直電容C3連接到M3的柵極。PM0S晶體管M5工作于飽和區(qū)，為 PM0S晶體管M4提供電流偏置，二者組成反相放大器。M4為振蕩晶體管J1提供一個(gè)負(fù)電阻以補(bǔ) 償選頻網(wǎng)絡(luò)的消耗能量的正電阻。M5的柵極接到電容C4、 C5和電阻R4組成的i:形的低通濾波 器輸出端。"形的低通濾波器的輸入端則與M3的柵極連接。電阻R1、 R2、 R3組成M4的柵極分 壓電路。
對(duì)溫度和電源不敏感的偏置電壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生一個(gè)對(duì)溫度和電源不敏感的偏置電壓加到 Ml的柵極以提供一個(gè)恒定的偏置電流，從而M1的源漏極電流/flS5也對(duì)溫度和電源的變化不敏 感，"'"流過M2產(chǎn)生偏置電壓h"， ^"通過電阻R5、 R6的分壓，在R5的兩端輸出M3的偏置
電壓，這個(gè)偏置電壓就是參考電平"^ 。通過調(diào)節(jié)電阻R5和R6之間的比值，在靜態(tài)的時(shí)候電 阻R5兩端的分壓輸出電壓保證M3截止，振蕩器的輸出信號(hào)通過電容C3隔去直流成分后耦合送 到M3的柵極。
當(dāng)振蕩器剛起振時(shí)，振蕩器的輸出信號(hào)的幅度較小，因此M3保持在截止的狀態(tài)，反饋控 制電路不啟動(dòng)。隨著振蕩器的輸出信號(hào)的幅度逐漸變大，M3開始導(dǎo)通，而且輸出信號(hào)的幅度 越大，M3在一個(gè)振蕩周期內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間越長(zhǎng)，導(dǎo)通的放電電流越大，由于電路的設(shè)計(jì)參數(shù)保 證M3的導(dǎo)通對(duì)i:形的低通濾波器的放電速度高于電源電壓對(duì)i:形的低通濾波器的充電速度， 于是由于M3的導(dǎo)通使得M5的偏置電壓開始減小，振蕩晶體管的增益變小，振蕩器的輸出信號(hào) 的幅度增幅逐漸變小，當(dāng)T二AF4時(shí)，振蕩器達(dá)到平衡，此時(shí)M3的導(dǎo)通對(duì)i:形的低通濾波器的 放電速度等于電源電壓對(duì)"形的低通濾波器的充電速度。
振蕩器的輸出信號(hào)的幅度的大小可以通過調(diào)節(jié)參考電平"^的值來實(shí)現(xiàn)，"^取的較大 則較小輸出信號(hào)的幅度會(huì)使得峰值電平檢測(cè)比較電路起作用，于是平衡時(shí)的輸出信號(hào)的幅度 較小；反之亦然。
作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，電阻R7、 R8是靜電放電保護(hù)電阻，它們和兩個(gè)二極管(圖中 未畫出) 一起組成靜電放電保護(hù)電路，可以對(duì)振蕩器起到良好的限流作用。另外，由于在剛 剛起振的時(shí)侯，PM0S型晶體管M5的柵源極間的電壓接近電源的電壓VDD，而石英晶體振蕩器 的電源電壓應(yīng)用范圍很寬(2. 7V-5V)，為了防止電壓VDD為其最高值5V時(shí)M5流過的偏置電流 太大，因此在M5的柵極與VDD之間增加二極管P1-P4，以起到鉗位作用。
由上述可見，本發(fā)明實(shí)施例通過M4、 M5及i:形低通濾波器構(gòu)成的反饋增益控制電路，可以有效地起到對(duì)振蕩器的自動(dòng)增益控制，而且通過調(diào)節(jié)參考電平的大小就可以控制自動(dòng)增益 控制反饋電路起作用時(shí)的振蕩幅度的大小，從而可以控制平衡時(shí)的振蕩輸出信號(hào)的幅度和電 路功耗的大小。同時(shí)因?yàn)閰⒖茧娖?^是由能跟蹤C(jī)MOS工藝變化的參考比較電平電路利用來 自對(duì)溫度和電源電壓不敏感的偏置電壓產(chǎn)生電路的偏置電壓^"s產(chǎn)生的，所以這個(gè)參考電平 對(duì)溫度和電源電壓的敏感度很小，并且可以跟蹤工藝參數(shù)的變化，故而振蕩平衡時(shí)的振蕩幅 度和電路功耗不僅可以通過調(diào)節(jié)參考電平的大小來控制，而且還可以在很寬的電源電壓應(yīng)用 范圍和工作溫度范圍以及CMOS工藝參數(shù)變化的條件下基本保持不變。本發(fā)明實(shí)施例設(shè)計(jì)的電 路簡(jiǎn)單有效，所需的元件少，使得實(shí)現(xiàn)的成本低，占用的體積小。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，當(dāng)電源電壓為3.6V，工作溫度為27'C時(shí)的輸出振蕩信號(hào)的峰值平均為 Vpp=756mV，平均功耗為1.5mw，相位噪聲平均為-168dBc/Hz肌0kHz，并且當(dāng)電源電壓和工作 溫度分別在2. 7V到5V和-4(TC到125i:的范圍內(nèi)變化，輸出信號(hào)的峰峰值的變化在士 15%以內(nèi)， 電路功耗的變化在± 7%以內(nèi)。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原 則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種石英晶振主電路，包括一個(gè)石英晶體和2個(gè)電容構(gòu)成的三點(diǎn)式振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)、偏置電壓產(chǎn)生電路，與偏置電壓產(chǎn)生電路連接的參考電平產(chǎn)生電路及峰值檢測(cè)比較電路，其特征在于，還包括與參考電平產(chǎn)生電路及峰值檢測(cè)比較電路、選頻網(wǎng)絡(luò)均連接的反饋增益控制電路，用于在選頻網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)超過參考電平產(chǎn)生電路及峰值檢測(cè)比較電路產(chǎn)生的參考電平時(shí)，自動(dòng)控制選頻網(wǎng)絡(luò)中振蕩晶體管的增益直至振蕩器達(dá)到平衡；所述選頻網(wǎng)絡(luò)通過隔直電容與參考電平產(chǎn)生電路及峰值檢測(cè)比較電路連接。
2.如權(quán)利要求l所述的石英晶振主電路，其特征在于，所述反饋增益 控制電路包括輸入端與所述參考電平產(chǎn)生電路及峰值檢測(cè)比較電路連接的、由1個(gè)電阻和2個(gè) 電容組成的"形低通濾波器，及柵極與所述"形低通濾波器的輸出端連接、源極與電源電壓 連接的第一PMOS晶體管(M5)，及源極與所述第一PMOS晶體管(M5)的漏極連接、柵極與所 述選頻網(wǎng)絡(luò)連接的第二PMOS晶體管(M4)。
3.如權(quán)利要求l所述的石英晶振主電路，其特征在于，所述參考電平 產(chǎn)生電路及峰值檢測(cè)比較電路包括柵極與所述偏置電壓產(chǎn)生電路連接的第一NMOS晶體管(Ml )，漏極與所述第一麗OS晶體管(Ml)的源極連接、源極與電源電壓連接的第三PMOS晶體管 (M2)，柵極與所述第三PMOS晶體管(M2)的柵極及選頻網(wǎng)絡(luò)連接的第四PMOS晶體管(M3)
4.如權(quán)利要求3所述的石英晶振主電路，其特征在于，在所述選頻網(wǎng) 絡(luò)與第二PMOS晶體管(M4)之間、選頻網(wǎng)絡(luò)與第四PMOS晶體管(M3)之間還分別具有由電阻 和二極管組成的靜電放電保護(hù)電路；在所述第一PMOS晶體管(M5)的柵極與電源電壓之間還 具有鉗位二極管。
全文摘要
本發(fā)明適用于振蕩集成電路領(lǐng)域，提供了一種石英晶振主電路，包括一個(gè)石英晶體和2個(gè)電容構(gòu)成的三點(diǎn)式振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)、偏置電壓產(chǎn)生電路，與偏置電壓產(chǎn)生電路連接的參考電平產(chǎn)生電路及峰值檢測(cè)比較電路，還包括與參考電平產(chǎn)生電路及峰值檢測(cè)比較電路、選頻網(wǎng)絡(luò)均連接的反饋增益控制電路，用于在選頻網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)超過參考電平產(chǎn)生電路及峰值檢測(cè)比較電路產(chǎn)生的參考電平時(shí)，自動(dòng)控制選頻網(wǎng)絡(luò)中振蕩晶體管的增益直至振蕩器達(dá)到平衡；所述選頻網(wǎng)絡(luò)通過隔直電容與參考電平產(chǎn)生電路及峰值檢測(cè)比較電路連接。
文檔編號(hào)H03B5/32GK101615886SQ20091030465
公開日2009年12月30日 申請(qǐng)日期2009年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月22日
發(fā)明者林秀龍, 耿建強(qiáng) 申請(qǐng)人:成都國(guó)騰電子技術(shù)股份有限公司