一种自激注入晶体振荡器的制作方法

本发明属于低功耗时钟技术领域，尤其涉及一种自激注入晶体振荡器。

背景技术：

近年来，蓝牙、wifi、gps等通信方式的迅速普及，极大地推动了超低功耗(ultra-lowpower，ulp)系统的应用，如物联网、无线传感网、能量收集系统等。而超低功耗技术对于降低系统能耗及延长电池使用寿命至关重要。晶体振荡器为系统中的锁相环、模数转换器等模块提供参考频率。但由于其启动时间长，对系统功耗影响较大。因此，缩短晶体振荡器的启动时间非常重要。

现有技术包括提高晶体振荡器负阻，以及向石英晶体注入振荡信号以加快启动。提高晶体振荡器负阻会受到石英晶体内部并联电容的限制，加速启动的效果非常有限。通过向石英晶体注入振荡信号实现加速启动是目前普遍采用的技术。但这种技术要求注入信号与晶振之间的频率误差必须小于0.5％。使用校准电路可以提高注入频率精度，但会增加功耗；通过抖动注入和啁啾注入可以避免使用频率校准，但是这两种技术由于注入的部分能量与目标频率误差较大而导致损耗过大，因此效率不高。

技术实现要素：

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种自激注入晶体振荡器，通过采用自激注入技术的启动模块来缩短晶体振荡器启动时间。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种自激注入晶体振荡器，包括石英晶体、启动电路、稳态电路、第一负载电容clp、第二负载电容cln，第一选择开关s00、第二选择开关s01；石英晶体的xp端接第一负载电容clp的上极板和第一选择开关s00的右端；第一负载电容clp的下极板接地；石英晶体的xn端接第二负载电容cln的上极板和第二选择开关s01的右端；第二负载电容cln的下极板接地；在启动模式下，第一选择开关s00接启动电路的p端；第二选择开关s01接启动电路的n端；在稳态模式下，第一选择开关s00接稳态电路的p端；第二选择开关s01接稳态电路的n端。

进一步地，所述启动电路包括比较器、开关电路和数字控制模块；第一比较器a的负输入端接电源vdd和第一开关电路s1的左端，第一比较器a的正输入端接第一开关电路s1的右端、启动电路的p端和第三开关电路s3的上端；第一比较器a的输出端接数字控制模块的sp端；第二比较器b的负输入端接电源vdd和第二开关电路s2的右端，第二比较器b的正输入端接第二开关电路s2的左端、启动电路的n端和第四开关电路s4的上端；第二比较器b的输出端接数字控制模块的sn端。

进一步地，数字控制模块的输出端sw接第四开关电路s4和第一开关电路s1的控制端；数字控制模块的输出端swn接第三开关电路s3和第二开关电路s2的控制端。

进一步地，第三开关电路s3的下端接地；第四开关电路s4的下端接地。

进一步地，数字控制模块控制四个开关电路开通关断的具体过程：s1和s4闭合，s2和s3断开，p端通过开关s1接vdd，n端通过s4接地，晶体受到激励后产生振荡信号；当比较器a正输入端电压超过负输入端电压后，数字控制模块切换四个开关的状态，s2和s3闭合，s1和s4断开，p端通过开关s3接地，n端通过s2接vdd；当比较器b正输入端电压超过负输入端电压后，数字控制模块再次切换四个开关的状态。

有益效果：本发明采用电源和开关电路对石英晶体进行激发而产生振荡信号，并将此振荡信号作为晶振的注入信号，由于振荡信号是晶振本身产生的，和晶振的频率几乎不存在偏差，避免了因采用外部振荡器注入而出现注入信号很难和晶振同频的问题。本发明的自激注入技术既实现了加速晶振启动的目的，同时又无需振荡器和频率校准，节省功耗。

附图说明

图1是本发明自激注入晶体振荡器电路总框图；

图2是本发明自激注入晶体振荡器的启动电路框图；

图3是在启动模式和稳态模式的振荡电流图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，本发明所述的自激注入晶体振荡器，包括石英晶体、启动电路、稳态电路、第一负载电容clp、第二负载电容cln，第一选择开关s00、第二选择开关s01。其中，石英晶体的xp端接第一负载电容clp的上极板和第一选择开关s00的右端；第一负载电容clp的下极板接地。石英晶体的xn端接第二负载电容cln的上极板和第二选择开关s01的右端；第二负载电容cln的下极板接地。在启动模式下，第一选择开关s00接启动电路的p端；第二选择开关s01接启动电路的n端；在稳态模式下，第一选择开关s00接稳态电路的p端；第二选择开关s01接稳态电路的n端。

如图2所示，启动电路包括比较器、开关电路和数字控制模块。其中，第一比较器a的负输入端接电源vdd和第一开关电路s1的左端，第一比较器a的正输入端接第一开关电路s1的右端、启动电路的p端和第三开关电路s3的上端；第一比较器a的输出端接数字控制模块的sp端。

第二比较器b的负输入端接电源vdd和第二开关电路s2的右端，第二比较器b的正输入端接第二开关电路s2的左端、启动电路的n端和第四开关电路s4的上端；第二比较器b的输出端接数字控制模块的sn端。

本发明的数字控制模块的sp端接第一比较器a的输出端，数字控制模块的sn端接第二比较器b的输出端；数字控制模块的输出端sw接第四开关电路s4和第一开关电路s1的控制端；数字控制模块的输出端swn接第三开关电路s3和第二开关电路s2的控制端。

数字控制模块控制四个开关电路开通关断的具体过程：首先，s1和s4闭合，s2和s3断开，p端通过开关s1接vdd，n端通过s4接地，晶体受到激励后产生振荡信号。当比较器a正输入端电压超过负输入端电压后，数字控制模块切换四个开关的状态，即s2和s3闭合，s1和s4断开。此时，p端通过开关s3接地，n端通过s2接vdd。当比较器b正输入端电压超过负输入端电压后，数字控制模块再次切换四个开关的状态，即s1和s4闭合，s2和s3断开，如此循环工作下去。

本发明的开关电路包括第一开关电路s1、第二开关电路s2、第三开关电路s3、第四开关电路s4。开关电路可以为mosfet开关电路结构。

其中，第一开关电路s1左端接第一比较器a的负输入端与电源vdd；第一开关电路s1右端接启动电路的p端与第三开关电路s3的上端；第三开关电路s3的下端接地。第二开关电路s2右端接第二比较器b的负输入端与电源vdd；第二开关电路s2左端接启动电路的n端与第四开关电路s4的上端；第四开关电路s4的下端接地。

本发明自激注入晶体振荡器，由启动电路和稳态电路组成。在启动模式下，电源通过开关与晶体振荡器相连，对石英晶体产生激励，从而产生振荡电流。比较器检测振荡电流过零点，并由数字控制模块切换开关的状态。振荡电流的幅度逐渐增大并作为晶振的注入信号。晶体振荡器达到稳态后，由放大器提供能量，维持稳定振荡状态。振荡电流在启动模式和稳态模式的情况如图3所示。采用自激注入技术的晶体振荡器既能够实现精准同频注入，缩短启动时间，又无需振荡器注入或频率校准电路，节省功耗。