專利名稱：一種石英晶振主電路的制作方法
技術領域：
本發明屬于振蕩集成電路領域，尤其涉及一種石英晶振主電路。
背景技術：
石英晶體集成電路振蕩器是射頻通信系統和數字電路的重要集成模塊，由于其具有很高 的空載品質因素和極小的接入系數，因此有很高的頻率穩定度和很低的相位噪聲，從而可以 提供很準確的時鐘信號基準。
圖l示出了一個典型的電容三點式Colpitts結構并聯型石英晶振主電路的構成，其中包 含了石英晶體J1、電容C1和C2、反相放大器、偏置電壓產生電路、參考電平產生電路以及峰 值檢測比較電路。在振蕩頻率處石英晶體J1等效為一個電感，從而和外部的電容C1、 C2構成 電容三點式LC振蕩器。
當振蕩器電路滿足小信號的起振條件，在電源上電的時候，由于電路中的噪聲干擾的作 用，既開始有瞬變電流的產生，這個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，由于正反饋的作用，導致諧振頻率信號越來越強 ，在振蕩建立的過程中，隨著諧振頻率信號越來越強，振蕩器從小信號工作條件逐漸變為 大信號工作。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 晶體管進入了它的輸出特性曲線的可變電阻區和截止區，其源漏極電流包含了豐富的諧波， 會造成輸出信號的波形失真，而且過大的振蕩信號幅度不僅會使后面的電路發生過載從而產 生非線性失真，并會對系統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。
發明內容
本發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工作條件下 ，沒有外界的增益控制將造成輸出信號波形失真等問題。 本發明的目的是這樣實現的
一種石英晶振主電路，包括一個石英晶體和2個電容構成的三點式振蕩器的選頻網絡、 偏置電壓產生電路，與偏置電壓產生電路連接的參考電平產生電路及峰值檢測比較電路，還包括與參考電平產生電路及峰值檢測比較電路、選頻網絡均連接的反饋增益控制電路，用于 在選頻網絡的輸出信號超過參考電平產生電路及峰值檢測比較電路產生的參考電平時，自動 控制選頻網絡中振蕩晶體管的增益直至振蕩器達到平衡；所述選頻網絡通過隔直電容與參考 電平產生電路及峰值檢測比較電路連接。
所述反饋增益控制電路包括輸入端與所述參考電平產生電路及峰值檢測比較電路連接的 、由l個電阻和2個電容組成的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、柵極與所述選頻網絡連接的第二PMOS晶體管(M4)。
所述參考電平產生電路及峰值檢測比較電路包括柵極與所述偏置電壓產生電路連接的第 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)的柵極及選頻網絡連接的第四 PM0S晶體管(M3)。
在所述選頻網絡與第二PMOS晶體管(M4)之間、選頻網絡與第四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。
本發明的突出優點是本發明通過反饋增益控制電路，可以有效地起到對振蕩器的自動 增益控制，而且通過調節參考電平的大小就可以控制自動增益控制反饋電路起作用時的振蕩 幅度的大小，從而可以控制平衡時的振蕩輸出信號的幅度和電路功耗的大小。
圖l是典型的電容三點式Colpitts結構并聯型石英晶振主電路構成示意圖； 圖2是本發明優選實施例提供的Colpitts結構石英晶振主電路圖。
具體實施例方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發 明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用 于限定本發明。
圖2示出了本發明優選實施例提供的Colpitts結構石英晶振的主電路。在本發明實施例中，NM0S型晶體管M1、 PM0S型晶體管M2、 M3及電阻R5、 R6組成跟蹤工藝 變化的參考電平產生電路及峰值檢測比較電路。片外的石英晶體J1和電容C1、 C2構成的三點 式振蕩器的選頻網絡，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，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提供一個負電阻以補 償選頻網絡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。
對溫度和電源不敏感的偏置電壓產生電路產生一個對溫度和電源不敏感的偏置電壓加到 Ml的柵極以提供一個恒定的偏置電流，從而M1的源漏極電流/flS5也對溫度和電源的變化不敏 感，"'"流過M2產生偏置電壓h"， ^"通過電阻R5、 R6的分壓，在R5的兩端輸出M3的偏置
電壓，這個偏置電壓就是參考電平"^ 。通過調節電阻R5和R6之間的比值，在靜態的時候電 阻R5兩端的分壓輸出電壓保證M3截止，振蕩器的輸出信號通過電容C3隔去直流成分后耦合送 到M3的柵極。
當振蕩器剛起振時，振蕩器的輸出信號的幅度較小，因此M3保持在截止的狀態，反饋控 制電路不啟動。隨著振蕩器的輸出信號的幅度逐漸變大，M3開始導通，而且輸出信號的幅度 越大，M3在一個振蕩周期內導通的時間越長，導通的放電電流越大，由于電路的設計參數保 證M3的導通對i:形的低通濾波器的放電速度高于電源電壓對i:形的低通濾波器的充電速度， 于是由于M3的導通使得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 的幅度增幅逐漸變小，當T二AF4時，振蕩器達到平衡，此時M3的導通對i:形的低通濾波器的 放電速度等于電源電壓對"形的低通濾波器的充電速度。
振蕩器的輸出信號的幅度的大小可以通過調節參考電平"^的值來實現，"^取的較大 則較小輸出信號的幅度會使得峰值電平檢測比較電路起作用，于是平衡時的輸出信號的幅度 較小；反之亦然。
作為本發明的優選實施例，電阻R7、 R8是靜電放電保護電阻，它們和兩個二極管(圖中 未畫出) 一起組成靜電放電保護電路，可以對振蕩器起到良好的限流作用。另外，由于在剛 剛起振的時侯，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 的電源電壓應用范圍很寬(2. 7V-5V)，為了防止電壓VDD為其最高值5V時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，本發明實施例通過M4、 M5及i:形低通濾波器構成的反饋增益控制電路，可以有效地起到對振蕩器的自動增益控制，而且通過調節參考電平的大小就可以控制自動增益 控制反饋電路起作用時的振蕩幅度的大小，從而可以控制平衡時的振蕩輸出信號的幅度和電 路功耗的大小。同時因為參考電平"^是由能跟蹤CMOS工藝變化的參考比較電平電路利用來 自對溫度和電源電壓不敏感的偏置電壓產生電路的偏置電壓^"s產生的，所以這個參考電平 對溫度和電源電壓的敏感度很小，并且可以跟蹤工藝參數的變化，故而振蕩平衡時的振蕩幅 度和電路功耗不僅可以通過調節參考電平的大小來控制，而且還可以在很寬的電源電壓應用 范圍和工作溫度范圍以及CMOS工藝參數變化的條件下基本保持不變。本發明實施例設計的電 路簡單有效，所需的元件少，使得實現的成本低，占用的體積小。
經實驗檢測，當電源電壓為3.6V，工作溫度為27'C時的輸出振蕩信號的峰值平均為 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:的范圍內變化，輸出信號的峰峰值的變化在士 15%以內， 電路功耗的變化在± 7%以內。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原 則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種石英晶振主電路，包括一個石英晶體和2個電容構成的三點式振蕩器的選頻網絡、偏置電壓產生電路，與偏置電壓產生電路連接的參考電平產生電路及峰值檢測比較電路，其特征在于，還包括與參考電平產生電路及峰值檢測比較電路、選頻網絡均連接的反饋增益控制電路，用于在選頻網絡的輸出信號超過參考電平產生電路及峰值檢測比較電路產生的參考電平時，自動控制選頻網絡中振蕩晶體管的增益直至振蕩器達到平衡；所述選頻網絡通過隔直電容與參考電平產生電路及峰值檢測比較電路連接。
2.如權利要求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生電路及峰值檢測比較電路連接的、由1個電阻和2個 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 述選頻網絡連接的第二PMOS晶體管(M4)。
3.如權利要求l所述的石英晶振主電路，其特征在于，所述參考電平 產生電路及峰值檢測比較電路包括柵極與所述偏置電壓產生電路連接的第一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)的柵極及選頻網絡連接的第四PMOS晶體管(M3)
4.如權利要求3所述的石英晶振主電路，其特征在于，在所述選頻網 絡與第二PMOS晶體管(M4)之間、選頻網絡與第四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
本發明適用于振蕩集成電路領域，提供了一種石英晶振主電路，包括一個石英晶體和2個電容構成的三點式振蕩器的選頻網絡、偏置電壓產生電路，與偏置電壓產生電路連接的參考電平產生電路及峰值檢測比較電路，還包括與參考電平產生電路及峰值檢測比較電路、選頻網絡均連接的反饋增益控制電路，用于在選頻網絡的輸出信號超過參考電平產生電路及峰值檢測比較電路產生的參考電平時，自動控制選頻網絡中振蕩晶體管的增益直至振蕩器達到平衡；所述選頻網絡通過隔直電容與參考電平產生電路及峰值檢測比較電路連接。
文檔編號H03B5/32GK101615886SQ20091030465
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月22日 優先權日2009年7月22日
發明者林秀龍, 耿建強 申請人:成都國騰電子技術股份有限公司