[发明专利]一种带伪差分结构的低功耗晶体振荡器电路

说明书

本发明公开了一种带伪差分结构的低功耗晶体振荡器电路，涉及集成电路设计技术领域，包括：独立电流源电路、开关控制电路、放大电路、滤波电路、比较器电路、反相器，独立电流源电路与开关控制电路的输入端连接，开关控制电路的输出端与晶振的第二输出端、放大电路的输出端连接，放大电路的输入端与晶振的第一输出端连接，放大电路的输入端与滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与比较器电路的输入端连接，比较器电路的输出端与反相器的输入端连接，反相器的输出端作为低功耗晶体振荡器电路的输出端。本发明优点在于：不仅能够满足占空比需求，并且不会造成起振时间和电路资源的浪费。

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，更具体涉及一种带伪差分结构的低功耗晶体振荡器电路。

背景技术

随着物联网时代的到来，智慧家居和智能健康产业势必催生出对于MCU芯片更大的需求。随着单片机技术(MCU芯片)的发展，半导体技术和工艺的快速发展使得MCU产品性能得到大幅度提高以满足当下物联网发展趋势的要求，其中尤其以低功耗低成本成为集成电路设计的迫切要求。

晶体振荡器能够为各种电子系统提供高精度的时钟信号，但是在不同的应用环境下，对晶体振荡电路的要求也不一样。比如，便携式电池供电的移动设备，有的甚至需要工作长达几年的时间，这样就对功耗提出了严格的要求；在物联网系统中，需要在睡眠和激活之间不断进行切换，而在这个切换过程中，切换时间的长短取决于晶体的起振时间，所以起振时间越短越好。另外一个值得注意的问题是晶体振荡器在逐渐起振的过程中，占空比不满足需求，在现有的技术中，为了使占空比满足要求，一般采用计数器功能，比如计满1024，才输出时钟信号；或者采用占空比检测电路，使占空比在某两个值之间才输出，这样又浪费了一些时间和电路资源。

目前业界普遍采用皮尔斯型振荡电路作为晶振的放大电路。如下图1所示，采用负阻分析方法。

由小信号等效电路可知：

化简后可知：

在振荡工作频率下，可算得：

在上式中称为频率牵引因子，0～0.25％。

由于此时Barkhausen判据可等效表达为：

也就是：

Re(Z_C)+R_m＝0   (7)

再看(2)式，由于ZC是gm的“双线性函数”，因此函数ZC(gm)在复平面的轨迹为一个圆形，如图2所示(这里我们只考虑左半圆)。当gm分别为“0”和“无穷大”时，对应于ZC虚部的最大值和最小值，二者之差即为圆的直径，在图中还给出了ZC相应的等效电路。图2中竖直的黑色直线则代表函数Zm(p)的轨迹，两个轨迹的交点A和B即为振荡的临界点。当gmgmA时，电路将在噪声或电源抖动的作用下产生振荡；当gm超过gmB则无法形成振荡。当gm＝gmopt时，ZC将达到最大的负阻抗(几kΩ以上)。联立(11)式和(15)式即可解得振荡的临界跨导值gmcrit，但是我们只把较小的那个解(gmA)作为设计值，因为B点对应的p值太大，不符合实际电路要求。

Pierce晶体振荡电路的时间常数为：

上式中的负号是因为Re(ZC)为负阻抗，显然Re(ZC)为最大值时建立时间最短。

对(11)式求导算极值可得：