专利名称：一种石英晶振主电路的制作方法
技术领域：
本发明属于振荡集成电路领域，尤其涉及一种石英晶振主电路。
背景技术：
石英晶体集成电路振荡器是射频通信系统和数字电路的重要集成模块，由于其具有很高 的空载品质因素和极小的接入系数，因此有很高的频率稳定度和很低的相位噪声，从而可以 提供很准确的时钟信号基准。
图l示出了一个典型的电容三点式Colpitts结构并联型石英晶振主电路的构成，其中包 含了石英晶体J1、电容C1和C2、反相放大器、偏置电压产生电路、参考电平产生电路以及峰 值检测比较电路。在振荡频率处石英晶体J1等效为一个电感，从而和外部的电容C1、 C2构成 电容三点式LC振荡器。
当振荡器电路满足小信号的起振条件，在电源上电的时候，由于电路中的噪声干扰的作 用，既开始有瞬变电流的产生，这个瞬变电流所包含的频带极宽，但是由于选频回路的选频 作用，它只选择出了本身谐振频率的信号，由于正反馈的作用，导致谐振频率信号越来越强 ，在振荡建立的过程中，随着谐振频率信号越来越强，振荡器从小信号工作条件逐渐变为 大信号工作。如果外界不加任何措施，放大器就从线性放大器过渡到非线性放大器，即振荡 晶体管进入了它的输出特性曲线的可变电阻区和截止区，其源漏极电流包含了丰富的谐波， 会造成输出信号的波形失真，而且过大的振荡信号幅度不仅会使后面的电路发生过载从而产 生非线性失真，并会对系统的其他模块造成电磁辐射干扰以及加快石英晶体J1的老化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石英晶振主电路，旨在解决振荡电路在大信号工作条件下 ，没有外界的增益控制将造成输出信号波形失真等问题。 本发明的目的是这样实现的
一种石英晶振主电路，包括一个石英晶体和2个电容构成的三点式振荡器的选频网络、 偏置电压产生电路，与偏置电压产生电路连接的参考电平产生电路及峰值检测比较电路，还包括与参考电平产生电路及峰值检测比较电路、选频网络均连接的反馈增益控制电路，用于 在选频网络的输出信号超过参考电平产生电路及峰值检测比较电路产生的参考电平时，自动 控制选频网络中振荡晶体管的增益直至振荡器达到平衡；所述选频网络通过隔直电容与参考 电平产生电路及峰值检测比较电路连接。
所述反馈增益控制电路包括输入端与所述参考电平产生电路及峰值检测比较电路连接的 、由l个电阻和2个电容组成的i:形低通滤波器，及栅极与所述i:形低通滤波器的输出端连接 、源极与电源电压连接的第一PMOS晶体管(M5)，及源极与所述第一PMOS晶体管(M5)的漏 极连接、栅极与所述选频网络连接的第二PMOS晶体管(M4)。
所述参考电平产生电路及峰值检测比较电路包括栅极与所述偏置电压产生电路连接的第 一NM0S晶体管(Ml)，漏极与所述第一NMOS晶体管(Ml)的源极连接、源极与电源电压连接 的第三PMOS晶体管(M2)，栅极与所述第三PMOS晶体管(M2)的栅极及选频网络连接的第四 PM0S晶体管(M3)。
在所述选频网络与第二PMOS晶体管(M4)之间、选频网络与第四PMOS晶体管(M3)之间 还分别具有由电阻和二极管组成的静电放电保护电路；在所述第一PMOS晶体管(M5)的栅极 与电源电压之间还具有钳位二极管。
本发明的突出优点是本发明通过反馈增益控制电路，可以有效地起到对振荡器的自动 增益控制，而且通过调节参考电平的大小就可以控制自动增益控制反馈电路起作用时的振荡 幅度的大小，从而可以控制平衡时的振荡输出信号的幅度和电路功耗的大小。
图l是典型的电容三点式Colpitts结构并联型石英晶振主电路构成示意图； 图2是本发明优选实施例提供的Colpitts结构石英晶振主电路图。
具体实施例方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发 明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用 于限定本发明。
图2示出了本发明优选实施例提供的Colpitts结构石英晶振的主电路。在本发明实施例中，NM0S型晶体管M1、 PM0S型晶体管M2、 M3及电阻R5、 R6组成跟踪工艺 变化的参考电平产生电路及峰值检测比较电路。片外的石英晶体J1和电容C1、 C2构成的三点 式振荡器的选频网络，通过隔直电容C3连接到M3的栅极。PM0S晶体管M5工作于饱和区，为 PM0S晶体管M4提供电流偏置，二者组成反相放大器。M4为振荡晶体管J1提供一个负电阻以补 偿选频网络的消耗能量的正电阻。M5的栅极接到电容C4、 C5和电阻R4组成的i:形的低通滤波 器输出端。"形的低通滤波器的输入端则与M3的栅极连接。电阻R1、 R2、 R3组成M4的栅极分 压电路。
对温度和电源不敏感的偏置电压产生电路产生一个对温度和电源不敏感的偏置电压加到 Ml的栅极以提供一个恒定的偏置电流，从而M1的源漏极电流/flS5也对温度和电源的变化不敏 感，"'"流过M2产生偏置电压h"， ^"通过电阻R5、 R6的分压，在R5的两端输出M3的偏置
电压，这个偏置电压就是参考电平"^ 。通过调节电阻R5和R6之间的比值，在静态的时候电 阻R5两端的分压输出电压保证M3截止，振荡器的输出信号通过电容C3隔去直流成分后耦合送 到M3的栅极。
当振荡器刚起振时，振荡器的输出信号的幅度较小，因此M3保持在截止的状态，反馈控 制电路不启动。随着振荡器的输出信号的幅度逐渐变大，M3开始导通，而且输出信号的幅度 越大，M3在一个振荡周期内导通的时间越长，导通的放电电流越大，由于电路的设计参数保 证M3的导通对i:形的低通滤波器的放电速度高于电源电压对i:形的低通滤波器的充电速度， 于是由于M3的导通使得M5的偏置电压开始减小，振荡晶体管的增益变小，振荡器的输出信号 的幅度增幅逐渐变小，当T二AF4时，振荡器达到平衡，此时M3的导通对i:形的低通滤波器的 放电速度等于电源电压对"形的低通滤波器的充电速度。
振荡器的输出信号的幅度的大小可以通过调节参考电平"^的值来实现，"^取的较大 则较小输出信号的幅度会使得峰值电平检测比较电路起作用，于是平衡时的输出信号的幅度 较小；反之亦然。
作为本发明的优选实施例，电阻R7、 R8是静电放电保护电阻，它们和两个二极管(图中 未画出) 一起组成静电放电保护电路，可以对振荡器起到良好的限流作用。另外，由于在刚 刚起振的时侯，PM0S型晶体管M5的栅源极间的电压接近电源的电压VDD，而石英晶体振荡器 的电源电压应用范围很宽(2. 7V-5V)，为了防止电压VDD为其最高值5V时M5流过的偏置电流 太大，因此在M5的栅极与VDD之间增加二极管P1-P4，以起到钳位作用。
由上述可见，本发明实施例通过M4、 M5及i:形低通滤波器构成的反馈增益控制电路，可以有效地起到对振荡器的自动增益控制，而且通过调节参考电平的大小就可以控制自动增益 控制反馈电路起作用时的振荡幅度的大小，从而可以控制平衡时的振荡输出信号的幅度和电 路功耗的大小。同时因为参考电平"^是由能跟踪CMOS工艺变化的参考比较电平电路利用来 自对温度和电源电压不敏感的偏置电压产生电路的偏置电压^"s产生的，所以这个参考电平 对温度和电源电压的敏感度很小，并且可以跟踪工艺参数的变化，故而振荡平衡时的振荡幅 度和电路功耗不仅可以通过调节参考电平的大小来控制，而且还可以在很宽的电源电压应用 范围和工作温度范围以及CMOS工艺参数变化的条件下基本保持不变。本发明实施例设计的电 路简单有效，所需的元件少，使得实现的成本低，占用的体积小。
经实验检测，当电源电压为3.6V，工作温度为27'C时的输出振荡信号的峰值平均为 Vpp=756mV，平均功耗为1.5mw，相位噪声平均为-168dBc/Hz肌0kHz，并且当电源电压和工作 温度分别在2. 7V到5V和-4(TC到125i:的范围内变化，输出信号的峰峰值的变化在士 15%以内， 电路功耗的变化在± 7%以内。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原 则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种石英晶振主电路，包括一个石英晶体和2个电容构成的三点式振荡器的选频网络、偏置电压产生电路，与偏置电压产生电路连接的参考电平产生电路及峰值检测比较电路，其特征在于，还包括与参考电平产生电路及峰值检测比较电路、选频网络均连接的反馈增益控制电路，用于在选频网络的输出信号超过参考电平产生电路及峰值检测比较电路产生的参考电平时，自动控制选频网络中振荡晶体管的增益直至振荡器达到平衡；所述选频网络通过隔直电容与参考电平产生电路及峰值检测比较电路连接。
2.如权利要求l所述的石英晶振主电路，其特征在于，所述反馈增益 控制电路包括输入端与所述参考电平产生电路及峰值检测比较电路连接的、由1个电阻和2个 电容组成的"形低通滤波器，及栅极与所述"形低通滤波器的输出端连接、源极与电源电压 连接的第一PMOS晶体管(M5)，及源极与所述第一PMOS晶体管(M5)的漏极连接、栅极与所 述选频网络连接的第二PMOS晶体管(M4)。
3.如权利要求l所述的石英晶振主电路，其特征在于，所述参考电平 产生电路及峰值检测比较电路包括栅极与所述偏置电压产生电路连接的第一NMOS晶体管(Ml )，漏极与所述第一丽OS晶体管(Ml)的源极连接、源极与电源电压连接的第三PMOS晶体管 (M2)，栅极与所述第三PMOS晶体管(M2)的栅极及选频网络连接的第四PMOS晶体管(M3)
4.如权利要求3所述的石英晶振主电路，其特征在于，在所述选频网 络与第二PMOS晶体管(M4)之间、选频网络与第四PMOS晶体管(M3)之间还分别具有由电阻 和二极管组成的静电放电保护电路；在所述第一PMOS晶体管(M5)的栅极与电源电压之间还 具有钳位二极管。
全文摘要
本发明适用于振荡集成电路领域，提供了一种石英晶振主电路，包括一个石英晶体和2个电容构成的三点式振荡器的选频网络、偏置电压产生电路，与偏置电压产生电路连接的参考电平产生电路及峰值检测比较电路，还包括与参考电平产生电路及峰值检测比较电路、选频网络均连接的反馈增益控制电路，用于在选频网络的输出信号超过参考电平产生电路及峰值检测比较电路产生的参考电平时，自动控制选频网络中振荡晶体管的增益直至振荡器达到平衡；所述选频网络通过隔直电容与参考电平产生电路及峰值检测比较电路连接。
文档编号H03B5/32GK101615886SQ20091030465
公开日2009年12月30日 申请日期2009年7月22日 优先权日2009年7月22日
发明者林秀龙, 耿建强 申请人:成都国腾电子技术股份有限公司