[发明专利]一种快速起振的晶体振荡器、电子系统和方法

说明书

本发明公开了一种快速起振的晶体振荡器、电子系统和方法，该晶体振荡器包括：跨导运算放大器，用于对差分输入的电压信号进行放大，并产生正向受控电流和负向受控电流；第一受控电流输出模块，用于将所述正向受控电流和负向受控电流同时镜像到跨导运算放大器的差分输入端的一端，形成正反馈信号；第二受控电流输出模块，用于将所述正向受控电流和负向受控电流同时镜像到跨导运算放大器的差分输入端的另一端，形成负反馈信号；用于产生振荡晶振单元和用于产生跟随振荡第二电容。本发明采用镜像电流的方式，将传统晶体振荡器中限制负阻提高的电容因素进行抵消，可以有效地加快晶体振荡器的起振速度。本发明可以广泛应用于振荡器技术领域。

技术领域

本发明涉及振荡器技术，尤其是一种快速起振的晶体振荡器、电子系统和方法。

背景技术

石英晶体振荡器被广泛应用到现代电子产品中，它提供了数字电路的时钟和模拟电路的参考频率。通常由电子器件组成振荡器电路，再和外接的石英晶体构成晶体振荡器。其中晶体因为具有非常高的品质因数(Q值)，带动振荡器电路工作在一个非常窄小的频率范围中，即电路达到谐振状态，由此提供了比较精确和稳定的时钟和频率信号。

现有的晶体振荡器的起振时间通常都在毫秒级，在需要频繁启停并且只需要短时工作的系统中，晶体振荡器起振到稳定所占据的时间在整个系统工作时间段中占据了很大的比例，耗费了较大比例的功耗，越来越成为现代低功耗电子系统降低功耗的障碍。随着通信速率的提高和计算速度的进步，真正需要处理信息和传递数据的工作时间正在不断缩减，很多需要连续运行的系统都采用短时工作，长时间休眠的方法提高效率，在休眠期让尽可能多的电路模块停止工作和耗电。由于晶体振荡器起振时间长，在需要快速响应的系统中往往不能将晶体振荡器电路纳入彻底休眠范围，只能忍受晶体振荡以及相关电路引起的功耗，否则就要在系统数据速率或响应速度等方面做出让步。总之，如何提高晶体振荡器的起振速度变成了当前低功耗电子系统的关键。

晶体振荡器的核心部分是正反馈电路，满足一定的幅度和相位条件才能工作。谐振时，晶体工作于串联谐振频率和并联谐振频率之间，表现为一个感值很大的电感。其余振荡电路表现为一个负阻和一个负载电容的串联，晶体等效电感与负载电容在希望频率处形成串联谐振，而负阻提供足够的能量起振和维持晶体及电路中的能量损耗。常见的晶体振荡器主要采用了皮尔斯结构或者其变体的三点式振荡器结构，如图1所示。图1是晶体振荡器电路，其中晶体等效成了RLC串联(即等效电阻Rm、等效电容Cm和等效电感Lm)，再与寄生电容Cp并联。振荡电路中的放大器部分必须提供足够的正反馈增益，才能引导电路最终进入稳定的振荡工作状态。

图2显示了振荡电路的等效阻抗随放大器增益gm变化的情况，当gm取最小值0或最大值∞时，阻抗实部都是0，中间取到最优值gmopt时，负阻取得最大值，并且该最大值受到了并联的寄生电容Cp的制约。实际电路中寄生电容Cp包括了晶体封装电容、放大器栅极电容、IC芯片管脚寄生电容以及PCB线路上的寄生电容等，这些电容并不能忽略，实际上加起来可能高达2～5pF。

因此晶体等效电路中的RLC串联支路以外所有并联的寄生电容，会限制正反馈形成的最大负阻绝对值，使得超过某一临界点后继续加大正反馈增益反而会减小负阻绝对值，因此限制了加大正反馈增益对加速起振的效果。因此需要一种技术方案来减小并联电容，从而实现完成晶体振荡功能的同时实现快速起振。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种能够减少并联电容从而实现快速起振的晶体振荡器、电子系统和方法。

本发明所采取的第一种技术方案是：

一种快速起振的晶体振荡器，包括：

跨导运算放大器，用于对差分输入的电压信号进行放大，并产生正向受控电流和负向受控电流；

第一受控电流输出模块，用于将所述正向受控电流和负向受控电流同时镜像到跨导运算放大器的差分输入端的一端，形成正反馈信号；