具有自动振幅控制的低功率晶体振荡器

申请号 CN202310666479.1 申请日 2023-06-07 公开(公告)号 CN117200704A 公开(公告)日 2023-12-08
申请人 意法半导体国际有限公司; 发明人 N·贾因; A·库玛; K·查特杰;
摘要 本公开涉及具有自动振幅控制的低功率 晶体 振荡器 。低功率 晶体振荡器 电路 具有高功率部分和低功率部分。使用高功率部分初始化晶体振荡。自动振幅控制电路包括 电流 减法器,当晶体振荡的振幅增大时,该减法器减小高功率部分中的电流。电流限制电路可以限制低功率部分中的电流,以便进一步降低低功率晶体振荡器电路的功耗。另外,自动振幅检测电路可以在晶体振荡的振幅达到预定 水 平之后关断高功率部分以进一步降低低功率晶体振荡电路的功耗,并且可以在晶体振荡振幅达到第二预定水平之后重新接通高功率部分以维持晶体振荡。
权利要求

1.一种低功率晶体振荡电路,包括:
晶体;
高电源;
低电源;
第一电容器,具有耦合至所述晶体的第一端子
第二电容器,具有耦合至所述晶体的第一端子;
第一电流镜晶体管,具有耦合至所述高电源的第一端子以及耦合至栅极端子的第二端子,所述第一电流镜晶体管具有第一宽长比的沟道
第一电流源,被配置为输出第一值的电流,所述第一电流源具有耦合至所述第一电流镜晶体管的所述第二端子的第一端子;
第二电流镜晶体管,具有耦合至所述高电源的第一端子、耦合至所述第一电流镜晶体管的所述栅极端子的栅极端子,以及耦合至所述晶体的第二端子,并且所述第二电流镜晶体管具有比所述第一宽长比大X倍的第二宽长比;
第三电流镜晶体管,具有耦合至所述高电源的第一端子以及耦合至所述第三电流镜晶体管的栅极端子的第二端子,所述第三电流镜晶体管具有第三宽长比;
第二电流源,被配置为输出第二值的电流,所述第二电流源具有耦合至所述第三电流镜晶体管的所述第二端子的第一端子;
第四电流镜晶体管,具有耦合所述至高电源的第一端子、耦合至所述第三电流镜晶体管的所述栅极端子的栅极端子,以及耦合至所述第二电流镜晶体管的所述第二端子的第二端子,所述第四电流镜晶体管具有比所述第三宽长比大Y倍的第四宽长比;以及第五电流镜晶体管,具有耦合至所述高电源的第一端子、耦合至所述第三电流镜晶体管的所述栅极端子和所述第四电流镜晶体管的所述栅极端子的栅极端子,以及耦合至所述第一电流镜晶体管的所述第二端子的第二端子,所述第五电流镜晶体管具有比所述第三宽长比小Z倍的第五宽长比,并且所述第三电流镜晶体管的所述栅极端子、所述第四电流镜晶体管的所述栅极端子和所述第五电流镜晶体管的所述栅极端子耦合至所述晶体。
2.根据权利要求1所述的低功率晶体振荡器电路,还包括:
第三电容器,具有耦合至所述晶体的所述输入端子的第一端子以及耦合至所述第三电流镜晶体管的所述栅极端子、所述第四电流镜晶体管的所述栅极端子和所述第五电流镜晶体管的所述栅极端子的第二端子,所述第一电容器具有耦合至所述低电源的第二端子,所述第二电容器具有耦合至所述低电源的第二端子,所述第二值的电流小于所述第一值的电流,所述第一电流源具有耦合至所述低电源的第二端子,所述第二电流源具有耦合至所述低电源的第二端子。
3.根据权利要求1所述的低功率晶体振荡器电路,还包括:
电流限制电路,耦合在所述高电源和所述第四电流镜晶体管的所述第一端子之间,所述电流限制电路将从所述高电源流向所述第四电流镜晶体管的所述第一端子的电流限制为第三值,所述第三值的电流小于所述第一值的电流。
4.根据权利要求1所述的低功率晶体振荡器电路,其中X大于200。
5.根据权利要求1所述的低功率晶体振荡器电路,其中Y大于2。
6.根据权利要求5所述的低功率晶体振荡器电路,其中Z大于3。
7.一种低功率晶体振荡电路,包括
晶体,具有输入端子和输出端子;
高电源;
低电源;
第一电容器,耦合至所述晶体的输入端子;
第二电容器,耦合至所述晶体的输出端子;
第一电流镜晶体管,耦合至所述高电源;
第一电流源,被配置为输出第一值的电流,所述第一电流源耦合至所述第一电流镜晶体管;
第二电流镜晶体管,耦合至所述高电源、所述第一电流镜晶体管;
第三电流镜晶体管,耦合至所述高电源;
第二电流源,被配置为输出小于所述第一值的第二值的电流,所述第二电流源耦合至所述第三电流镜晶体管;
第四电流镜晶体管,耦合至所述第三电流镜晶体管和所述第二电流镜晶体管;以及第五电流镜晶体管,耦合至所述高电源、所述第三电流镜晶体管、所述第四电流镜晶体管以及所述第一电流镜晶体管。
8.根据权利要求7所述的低功率晶体振荡器电路,还包括:
第三电容器,耦合至所述晶体的所述输入端子,并且耦合至所述第三电流镜晶体管的所述栅极端子、所述第四电流镜晶体管的所述栅极端子和所述第五电流镜晶体管的所述栅极端子,所述第三电流镜晶体管的所述栅极端子、所述第四电流镜晶体管的所述栅极端子和所述第五电流镜晶体管的所述栅极端子耦合至所述晶体的所述输入端子;以及第六电流镜晶体管,耦合至所述高电源;
第三电流源,输出小于所述第一值的第三值的电流,所述第三电流源耦合至所述第六电流镜晶体管;以及
第七电流镜晶体管,耦合至所述高电源,栅极端子耦合至所述第六电流镜晶体管的栅极端子,并且第二端子耦合至所述第四电流镜晶体管的所述第一端子的。
9.根据权利要求7所述的低功率晶体振荡器电路,其中所述第二电流镜晶体管的宽长比大于所述第一电流镜晶体管的宽长比。
10.根据权利要求7所述的低功率晶体振荡器电路,其中所述第四电流镜晶体管的宽长比大于所述第三电流镜晶体管的宽长比。
11.根据权利要求10所述的低功率晶体振荡器电路,其中所述第二电流镜晶体管的宽长比小于所述第三电流镜晶体管的宽长比。
12.根据权利要求10所述的低功率晶体振荡器电路,还包括:
第三电容器,具有耦合至所述第六电流镜晶体管的所述栅极端子的第一端子以及耦合至所述高电源的第二端子。
13.根据权利要求11所述的低功率晶体振荡器电路,其中所述第二值等于所述第三值。
14.一种低功率晶体振荡电路,包括:
晶体;
高电源;
低电源;
第一电容器,耦合在所述晶体和所述低电源之间;
第二电容器,耦合在所述晶体和所述低电源之间;
第一电流镜晶体管,耦合至所述高电源;
第一值的第一电流源,耦合至所述第一电流镜晶体管;
第二电流镜晶体管,耦合至所述高电源并且耦合至所述第一电流镜晶体管;
第三电流镜晶体管,耦合至所述高电源和所述第一电流镜晶体管;
第二值的第二电流源,所述第二值小于所述第一值,所述第二电流源耦合至所述第三电流镜晶体管;
第四电流镜晶体管,耦合至所述第一电流镜晶体管;
第一控制晶体管,耦合至所述高电源、所述第三电流镜晶体管以及第二端子;
第三电流源,输出小于所述第一值的第三值的电流,所述第三电流源耦合至所述第一控制晶体管以及所述低电源;以及
第二控制晶体管,耦合至所述第二电流镜晶体管、所述第一控制晶体管、所述晶体的所述输出端子,以及所述第四电流镜晶体管。
15.根据权利要求14所述的低功率晶体振荡器电路,其中所述第二值等于所述第三值。
16.根据权利要求14所述的低功率晶体振荡器电路,还包括:
第五电流镜晶体管,具有耦合至所述高电源的第一端子、栅极端子,以及耦合至所述栅极端子的第二端子;
第四电流源,输出第四值的电流,所述第四电流源具有耦合至所述第五电流镜晶体管的所述第二端子的第一端子以及耦合至所述低电源的第二端子,所述第四值的电流小于所述第一值的电流;以及
第六电流镜晶体管,具有第一端子、耦合至所述第五电流镜晶体管的所述栅极端子的栅极端子,以及耦合至所述晶体的所述输出端子的所述第二端子的第二端子。
17.根据权利要求16所述的低功率晶体振荡器电路,还包括:
第七电流镜晶体管,具有耦合至所述高电源的第一端子、耦合至所述第五电流镜晶体管的所述栅极端子和所述第六电流镜晶体管的所述栅极端子的栅极端子、耦合至所述第一电流镜晶体管的所述第二端子的第二端子,
其中所述第五电流镜晶体管的所述栅极端子、所述第六电流镜晶体管的所述栅极端子和所述第七电流镜晶体管的所述栅极端子耦合至所述晶体的所述输入端子。
18.根据权利要求17所述的低功率晶体振荡器电路,还包括:
第三电容器,具有耦合至所述晶体的所述输入端子的第一端子、耦合至所述第五电流镜晶体管的所述栅极端子、所述第六电流镜晶体管的所述栅极端子和所述第七电流镜晶体管的所述栅极端子的第二端子。
19.根据权利要求17所述的低功率晶体振荡器电路,还包括:
第八电流镜晶体管,具有耦合至所述高电源的第一端子、栅极端子,以及耦合至所述栅极端子的第二端子;
第五电流源,输出第五值的电流,所述第五电流源具有耦合至所述第八电流镜晶体管的所述第二端子的第一端子以及耦合至所述低电源的第二端子,所述第五值的电流小于所述第一值的电流;以及
第九电流镜晶体管,具有耦合至所述高电源的第一端子,耦合至所述第五电流镜晶体管的所述栅极端子的栅极端子,以及耦合至所述第六电流镜晶体管的所述第一端子的第二端子。
20.根据权利要求19所述的低功率晶体振荡器电路,还包括:
第十电流镜晶体管,具有耦合至所述高电源的第一端子、耦合至所述第八电流镜晶体管的所述栅极端子的栅极端子,以及耦合至所述第五电流镜晶体管的所述第一端子的第二端子;以及
第十一电流镜晶体管,具有耦合至所述高电源的第一端子、耦合至所述第八电流镜晶体管的所述栅极端子的栅极端子,以及耦合至所述第七电流镜晶体管的所述第一端子的第二端子。

说明书全文

具有自动振幅控制的低功率晶体振荡器

技术领域

[0001] 本公开涉及一种驱动输出振荡信号的晶体的电路,并且特别地,涉及一种在长期操作期间具有低功耗同时输出稳定频率的晶体电路。

背景技术

[0002] 本公开涉及在其中具有低功耗是优先考虑的应用中被使用的晶体振荡器电路装置。例如,一些设备是电池供电的,并且可能会长时间被放置在远程位置。即使在睡眠模式下,晶体振荡器通常也会为那些在睡眠模式下操作的少数电路输出稳定的频率。
[0003] 晶体振荡器通过通常包括电阻器、电容器和晶体管的谐波电路来激励晶体进行操作。一些电路也被构造以提供负电阻,而其他电路则基于不同的原理进行操作。对于那些使用负电阻的,它是通过晶体管的跨导而被建立的。跨导越大,晶体振荡器操作得越稳定。然而,跨导越大,晶体管消耗的电流也越大,并且振荡电路消耗的功率也越大。
[0004] 为了降低功耗,需要低跨导以稳定地操作晶体振荡器。然而,随着功耗的降低,对错误的容忍度也越来越小,并且电路更容易出现故障。发明内容
[0005] 根据当前公开的低功率晶体振荡器电路包括与电阻器电耦合的晶体、第一电容器和第二电容器,以及形成振荡器的第一晶体管。该晶体还电耦合至第一组电流镜晶体管和第二组电流镜晶体管。第一组电流镜晶体管中的第一晶体管接收具有相对高幅度的电流。第一组电流镜晶体管中的第二晶体管向第一晶体管提供具有相对高幅度的电流的放大版本,以开始振荡和维持晶体。第二组电流镜晶体管中的第一晶体管接收具有相对低幅度的电流。第二组电流镜晶体管中的第二晶体管向第一晶体管提供具有相对低幅度的电流的放大版本,以维持晶体的振荡。
[0006] 第二组电流镜晶体管中的第三晶体管被配置为从第一组电流镜晶体管中的第一晶体管中减去电流,这减少了在第一组电流镜晶体管中的第二晶体管中流动的电流。第二组电流镜晶体管中的第三晶体管最初用非常小(可忽略)的电流进行偏置。第二组电流镜晶体管的第三晶体管的栅极端子电耦合至晶体的输入端子或输出端子。随着振幅开始增大,流经第二组电流镜晶体管中的第三晶体管的电流增大,这减少了第一组电流镜晶体管中的电流。在振幅增大的同时,第二组电流镜晶体管中的第二晶体管提供附加跨导以维持晶体的振荡。
[0007] 电流限制电路可以限制由第二组电流镜晶体管提供的电流以驱动晶体。例如,电流限制电路可以包括第三组电流镜晶体管。第三组电流镜晶体管中的第一晶体管接收具有相对低幅度的电流。第三组电流镜晶体管中的第二晶体管向第二组晶体管中的第二晶体管提供具有相对低幅度的电流的放大版本,这向第一晶体管提供电流以维持晶体的振荡。因此,如果晶体输入端子处的电压变大,则第二组晶体管中的第二晶体管不会引起正反馈。另外,在实现晶体的稳定振荡之后,自动幅度检测电路可以使第一组电流镜晶体管中的第二晶体管停止向驱动晶体振荡的第一晶体管提供具有相对高幅度的电流的放大版本,以进一步降低功耗。附图说明
[0008] 图1示出了晶体振荡器电路。
[0009] 图2示出了根据本公开的第一实施例的低功率晶体振荡器电路。
[0010] 图3示出了根据本公开的第二实施例的低功率晶体振荡器电路。
[0011] 图4A和图4B示出了根据本发明第二实施例的另一种低功率晶体振荡电路。
[0012] 图5A‑图5F是图4A和图4B中所示的低功率晶体振荡器电路的各种操作参数。
[0013] 图6A和图6B示出了根据本公开的第三实施例的低功率晶体振荡器电路。

具体实施方式

[0014] 图1示出了当前众所周知的具有晶体12的晶体振荡器电路10,晶体12具有输入端子XTALIN和输出端子XTALOUT。电路包括电耦合至电流镜晶体管20的端子的电流源18,电流镜晶体管20电耦合至第二电流镜晶体管22。第二电流镜晶体管22提供是电流源18的倍数的电流以驱动晶体管24。电阻器26与晶体12并联电耦合。第一电容器28电耦合在晶体12和地或低电源16之间。第二电容器30电耦合在晶体和地之间。
[0015] 为了使晶体振荡器电路10工作,必须提供必要的负电阻以补偿晶体12的等效串联电阻(equivalent series resistance,ESR)。为了保证足够高的负电阻,跨导必须足够大,这需要很大的偏置电流。虽然仅在振荡频率处才需要负电阻,但晶体振荡器电路10在DC条件下被偏置,使得即使在直流(DC)处也具有负电阻。
[0016] 晶体管24提供跨导以开始和维持晶体的振荡。电阻器26是偏置电阻器。第一电容器28和第二电容器30提供谐波共振以维持晶体振荡。在晶体输出端子XTALOUT处测量输出信号。为了维持晶体振荡,必须操作晶体管24以提供负电阻。跨导值越高,振荡电路操作得越稳定。存在晶体振荡器稳定的跨导的最小可接受值。然而,跨导值越高,对电流晶体管24的要求就越高,从而导致更高的功耗。
[0017] 本公开旨在提供一种振荡电路,其可以在不增大电流消耗的情况下增大跨导的有效值。
[0018] 图2示出了根据本公开的第一实施例的低功率晶体振荡器电路210。低功率晶体振荡器电路210包括具有输入端子XTALIN和输出端子XTALOUT的晶体212、高电源214、低电源216、电流源218、电流镜晶体管220、电流镜晶体管222、晶体管224、与晶体212并联电耦合的偏置电阻器226、电容器228和电容器230。
[0019] 电流镜晶体管220具有第一端子、第二端子和栅极端子,其中晶体管220的第一端子电耦合至高电源214,晶体管220的第二端子电耦合至电流源218,并且晶体管220的栅极端子电耦合至晶体管220的第二端子。电流源218将确保由电流源218提供的选定电流经过电流镜晶体管220。在一个实施例中,电流源218提供1.0nA的电流。
[0020] 电流镜晶体管222具有第一端子、第二端子和栅极端子,其中晶体管222的第一端子电耦合至高电源214,晶体管222的第二端子电耦合至晶体212的输出端子XTALOUT,并且晶体管222的栅极端子电耦合至电流镜晶体管220的栅极端子。晶体管224具有第一端子、第二端子和栅极端子,其中晶体管224的第一端子电耦合至晶体212的输出端子XTALOUT,晶体管224的第二端子电耦合至低电源216,并且晶体管224的栅极端子电耦合至晶体212的输入端子XTALIN。第一电容器228电耦合在晶体212的输入端子XTALIN和低电源216之间。第二电容器230电耦合在晶体212的输出端子XTALOUT和低电源216之间。第一电容器228和第二电容器230提供谐波共振以维持晶体212的振荡。
[0021] 电流镜晶体管222向晶体212的输出端子XTALOUT提供是电流源218的倍数的电流,以便驱动晶体管224。基于晶体管222的W/L与晶体管220的W/L的比率,经过电流镜晶体管222的电流量从通过电流源218的电流被放大。通过使晶体管222的W/L大于晶体管220的W/L,被用来驱动晶体212的电流量可以比电流源218的值大某个选定量。在各种实施例中,由电流镜晶体管222提供的电流在比电流镜晶体管220提供的电流大20到250倍的范围内。在一个实施例中,电流镜晶体管220的宽长比(W/L)的值为X,并且电流镜晶体管222的宽长比的值为200X。在一个实施例中,晶体管224的宽长比的值与晶体管220或222的宽长比的值无关。
[0022] 低功率晶体振荡器电路210还包括电流源50、电流镜晶体管52、电流镜晶体管54、电容器58和电流镜晶体管60。电流源50将确保由电流源提供的选定电流经过晶体管52。在一个实施例中,电流源50提供1.0pA的电流。在一个实施例中,晶体管224的宽长比的值为X。电流源50的值远低于被用来启动晶体212的振荡的电流源218的值。在一个实施例中,因此,在晶体212已使用基于电流源218的较大电流以正常操作被启动之后,电流源50的值比电流源218的值低五倍。
[0023] 在启动时,晶体管60从晶体管220汲取由电流源218提供的少量电流,使得大量电流流经晶体管220,从而使足够的启动电流通过晶体管222而被提供到皮尔斯振荡器核心,皮尔斯振荡器核心包括晶体管224、电容器228和电容器230。在振荡器启动之后,由于晶体管60的非线性特性,来自晶体212的输入端子XTALIN的、通过电容器58的、在其栅极处的大振荡引起通过晶体管60的电流开始增大,这导致晶体管60从晶体管220汲取更多电流,从而减少在晶体管220中流动的电流。振荡由从晶体管54提供的电流维持。
[0024] 电流镜晶体管52具有第一端子、第二端子和栅极端子,其中晶体管52的第一端子电耦合至高电源214,晶体管52的第二端子电耦合至电流源50,并且晶体管52的栅极端子电耦合至晶体管52的第二端子。电流镜晶体管54具有第一端子、第二端子和栅极端子,其中晶体管54的第一端子电耦合至高电源214,晶体管54的第二端子电耦合至晶体管222的第二端子,并且晶体管54的栅极端子电耦合至晶体管60的栅极端子。在一个或多个实现方式中,电阻器和电容器被提供在晶体管52和晶体管60之间。
[0025] 基于晶体管54的W/L与晶体管60或52的W/L的比率,经过电流镜晶体管54的电流量从通过电流源50的电流被放大。通过使晶体管54的W/L大于晶体管52的W/L,被用来驱动晶体212的电流量可以比电流源50的值大某个选定量。在各种实施例中,它可能在大2到10倍的范围内。例如,晶体管54的W/L比晶体管52的W/L大4.5倍。
[0026] 电流镜晶体管60具有第一端子、第二端子和栅极端子,其中晶体管60的第一端子电耦合至高电源214,晶体管60的第二端子电耦合至晶体管220的第二端子,并且晶体管60的栅极端子电耦合至晶体管52和54的栅极端子。电流镜晶体管60电耦合至电流镜晶体管220和电流源218,使得由电流源218提供的、具有恒定值的电流等于流经晶体管60的电流加上流经晶体管220的电流。因此,流经晶体管220的电流等于由电流源218提供的电流减去流经晶体管60的电流。因此,当流经晶体管60的电流由于晶体212的输入端子XTALIN处的振荡振幅增大而增大时,流经晶体管220的电流减小。因此,作为流经晶体管220的电流的倍数的、流经晶体管222的电流也减小。流经晶体管222的减小的电流流经晶体管224,从而降低了低功率晶体振荡器电路210的功耗。
[0027] 基于晶体管60的W/L与晶体管50的W/L的比率,经过电流镜晶体管60的电流量从通过电流源50的电流被放大。通过使晶体管52的W/L大于晶体管60的W/L,从流经晶体管220的电流中减去的电流量可以比电流源50的值小某个选定量。在各种实施例中,它可能在小2到10倍的范围内。例如,晶体管52的W/L比晶体管60的W/L大5倍。
[0028] 电容器58将电流镜晶体管52、54和60的栅极端子耦合至晶体212的输入端子XTALIN,晶体212的输入端子XTALIN还电耦合至晶体管224的栅极端子和提供谐波共振的第一电容器228以维持晶体212的振荡。当晶体212振荡时,电容器58向电流镜晶体管52、54和60的栅极端子提供正弦电压信号。正弦电压信号被添加到由电流镜晶体管52提供的平均偏置电压,电流镜晶体管52处于二极管连接配置中。流经电流镜晶体管54和60的电流量分别根据晶体管54和60的栅极端子处的电压而变化,该电压基于由电容器58提供的正弦电压信号而变化。
[0029] 当最初向低功率晶体振荡器电路210供电时,晶体212没有振荡,并且DC信号流经电流镜晶体管50,该DC信号被镜像到电流镜晶体管54和60。一旦晶体212振荡开始,电流镜晶体管54和60的栅极端子就接收由电容器58提供的正弦电压信号。由电容器58提供的正弦电压信号被添加到由电流镜晶体管52提供的平均偏置电压。
[0030] 当晶体管60的栅极端子处的电压由于电容器58所提供的正弦电压信号而变化时,电流镜晶体管60不会完全接通或关断。电流镜晶体管60在其大信号范围(非线性指数或平方律特性)中被操作,这导致电流镜晶体管60中的平均电流增大,并且因此使得流经晶体管220的电流减小。流经电流镜晶体管220的电流在电流镜晶体管222中被倍增并被镜像。流经电流镜晶体管222的电流被提供给晶体管224以生成跨导从而启动和驱动晶体212的振荡。
因为在输入端子XTALIN和输出端子XTALOUT处电压增大,电流镜晶体管60引起负反馈,负反馈减少流经晶体管224的电流,这降低了低功率晶体振荡器电路210的功耗。因此,流经晶体管224的电流的振幅被自动控制,以减少低功率晶体振荡器电路210中的功耗。
[0031] 电流镜晶体管54还向晶体管224提供电流以提供用于维持晶体212的振荡的跨导。电流镜晶体管54的栅极端子还接收由电容器58提供的正弦电压信号。随着晶体212的振荡振幅增大,由电容器58提供的正弦电压信号使晶体管54的栅极端子处的电压增大,这使电流镜晶体管54向晶体管224提供更多电流。如果在晶体212的输入端子XTALIN处存在相对大的电压,则由电容器58提供的正弦电压信号对应增大,并且电流镜晶体管54引起不希望的正反馈而导致相对大的电流流经晶体管224。为了防止这种正反馈,可以添加电流限制电路以限制流经电流镜晶体管54的电流。
[0032] 图3示出了根据本公开的第二实施例的低功率晶体振荡器电路310。图3中所示的低功率晶体振荡器电路310在许多相关方面类似于图2中所示的低功率晶体振荡器电路210。值得注意的是,图3中所示的低功率晶体振荡器电路310包括电耦合在高电源214和晶体管54之间的电流限制电路62。电流限制电路62限制流经电流镜晶体管54的电流,这防止了晶体管54引起不希望的正反馈。电流限制电路62可以包括将从高电源214流到电流镜晶体管54的电流量限制为预定电流值的任何电路配置。
[0033] 图4A和图4B示出了根据本公开的第二实施例的低功率晶体振荡器电路410。图4A和图4B中所示的低功率晶体振荡器电路410在许多相关方面类似于图3中所示的低功率晶体振荡器电路310。值得注意的是,图4A和图4B中所示的低功率晶体振荡器电路410包括图3中所示的电流限制电路62的电路配置的示例。
[0034] 更特别地,低功率晶体振荡器电路410包括电流镜晶体管64、电流镜晶体管66,以及电流镜晶体管70和72。电流镜晶体管64具有第一端子、第二端子和栅极端子,其中晶体管64的第一端子电耦合至高电源214并且晶体管64的第二端子电耦合至电流镜晶体管54的第一端子。电流镜晶体管66具有第一端子、第二端子和栅极端子,其中晶体管66的第一端子电耦合至高电源214,并且晶体管66的第二端子电耦合至晶体管66的栅极端子,晶体管66的第二端子还电耦合至电容器68的第一端子。电容器68的第二端子电耦合至高电源214。
[0035] 电流镜晶体管70具有第一端子、第二端子和栅极端子,其中晶体管70的第一端子电耦合至电流源50,晶体管70的第二端子电耦合低电源216,并且晶体管70的栅极端子电耦合至晶体管70的第一端子。电流镜晶体管72具有第一端子、第二端子和栅极端子,其中晶体管72的第一端子电耦合至晶体管66的第二端子,晶体管72的第二端子电耦合至低电源216,并且晶体管72的栅极端子电耦合至晶体管70的栅极端子。
[0036] 基于晶体管72的W/L与晶体管70的W/L的比率,经过电流镜晶体管72的电流量从通过电流源50的电流被放大。通过使晶体管72的W/L与晶体管70的W/L相同,流经电流镜晶体管72和66的电流量可以与电流源50相同。当然,晶体管72的W/L也可以大于或小于晶体管70的W/L。
[0037] 基于晶体管64的W/L与晶体管66的W/L的比率,经过电流镜晶体管64的电流量从通过电流镜晶体管66的电流被放大。通过使晶体管64的W/L大于晶体管66的W/L,经过电流镜晶体管64的电流量可以是通过电流镜晶体管66的电流的倍数。在各种实施例中,它可以在大2到200倍的范围内。例如,晶体管64的W/L是晶体管66的W/L的5倍。因为流经电流镜晶体管64的电流是流经电流镜晶体管54的电流,所以可以通过适当选择晶体管64的W/L与晶体管66的W/L的比率来选择流经电流镜晶体管54的电流。
[0038] 低功率晶体振荡器电路410还包括电流镜晶体管74,电流镜晶体管74具有第一端子、第二端子和栅极端子,其中晶体管74的第一端子电耦合至晶体管52的第二端子,晶体管74的第二端子电耦合至低电源216,并且晶体管74的栅极端子电耦合至电流镜晶体管70和
72的栅极端子。通过使晶体管74的W/L与晶体管70的W/L相同,流经电流镜晶体管74的电流量可以与电流源50相同。当然,晶体管74的W/L也可以大于晶体管70的W/L。因为流经电流镜晶体管74的电流是流经电流镜晶体管52的电流,所以可以通过适当选择晶体管74的W/L与晶体管70的W/L的比率来选择流经电流镜晶体管52的电流。
[0039] 低功率晶体振荡器电路410还包括电容器76和电阻器78。电容器76的第一端子电耦合至高电源214,并且电容器76的第二端子电耦合至晶体管52的栅极端子。电阻器78的第一端子也电耦合至晶体管52的栅极端子,并且电阻器78的第二端子电耦合至晶体管60的栅极端子。
[0040] 低功率晶体振荡器电路410还包括电流镜晶体管80,电流镜晶体管80具有第一端子、第二端子和栅极端子,其中晶体管80的第一端子电耦合至晶体管220的第二端子,晶体管80的第二端子电耦合至低电源216,并且晶体管80的栅极端子电耦合至晶体管70、72和74的栅极端子。通过使晶体管80的W/L大于晶体管70的W/L,流经电流镜晶体管80的电流量可以比电流源50大或小某个选定量。晶体管80的W/L可以小于、等于或大于晶体管70、72和74中的每个晶体管的W/L。在各种实施例中,它可以是相等的或大1到20倍的范围内。在各种实施例中,晶体管80的W/L等于晶体管70、72和74中的每个晶体管的W/L。因为流经电流镜晶体管80的电流是流经电流镜晶体管220的电流,所以可以通过适当选择晶体管80的W/L和晶体管70的W/L的比率来选择流经电流镜晶体管220的电流。
[0041] 当晶体管66在其饱和或亚阈值区中操作时,晶体管64可以根据晶体管64与晶体管66的比率而提供最大电流。例如,当晶体管54需要更高的电流时,晶体管64将进入其线性区并将在该支路中流动的最大电流限制为常数值,诸如5nA。因此,电流镜晶体管64和66可以被配置成使得选定的最大电流(例如,5nA)从电流镜晶体管64流到晶体管224,以提供用于维持晶体212的振荡的跨导。
[0042] 低功率晶体振荡器电路410还包括电阻器82和电容器84。电阻器82的第一端子电耦合至晶体管220的栅极端子,并且电阻器82的第二端子电耦合至晶体管222的栅极端子222。电容器84的第一端子电耦合至高电源214,并且电容器84的第二端子电耦合至晶体管
222的栅极端子。
[0043] 图5A‑图5F是图4A和图4B中所示的低功率晶体振荡器电路410的各种操作参数。图5A示出了晶体212的输入端子XTALIN处的电压随时间变化的曲线图。图5B示出了晶体212的输出端子XTALOUT处的电压随时间变化的曲线图。图5C示出了流经振荡器正电源的电流随时间变化的曲线图。图5D示出了图5A中所示曲线图的放大部分。图5E示出了图5B中所示曲线图的放大部分。图5F示出了图5C中所示曲线图的放大部分。
[0044] 如图5A中所示,晶体212的输入端子XTALIN处的电压约从469mV开始。如图5A和图5D中所示,晶体212处于稳定振荡状态之后,晶体212的输入端子XTALIN处的电压的峰峰值(peak‑to‑peak)电压摆幅约为216mV。
[0045] 如图5B中所示,晶体212的输出端子XTALOUT处的电压约从468mV开始。如图5B和图5E中所示,在晶体212稳定振荡之后,晶体212的输出端子XTALOUT处的电压峰峰值约为
224mV。
[0046] 如图5C中所示,最初流经振荡器的正电源的平均电流约为‑169nA。如图5C和图5F中所示,晶体振荡212处于稳定振荡状态之后,流经振荡器的正电源的平均电流约为‑17.8nA。因此,当晶体212处于稳定振荡状态时流经晶体管224的电流约为在低功率晶体振荡器电路410开始操作时流经晶体管224的电流的十分之一。因此,从启动操作模式到标准操作模式的功率的降低可以是一个数量级,即,约为10倍。
[0047] 图6A和图6B示出了根据本公开的第三实施例的低功率晶体振荡器电路510。图6A和图6B中所示的低功率晶体振荡器电路510在许多相关方面类似于图4A和图4B中所示的低功率晶体振荡器电路410。值得注意的是,图6A和图6B中所示的低功率晶体振荡器电路510包括接通和关断电流镜晶体管222的振幅检测电路,当晶体212的振荡振幅超过阈值电压电平时,电流镜晶体管222被相对高的电流偏置。
[0048] 在一个或多个实施例中,低功率晶体振荡器电路510可选地包括电流镜晶体管86,电流镜晶体管86具有第一端子、第二端子和栅极端子,其中晶体管86的第一端子电耦合至高电源214,晶体管86的第二端子电耦合至晶体管52的第一端子,并且晶体管86的栅极端子电耦合至电流镜晶体管66的栅极端子。基于电流镜晶体管86的W/L与晶体管66的W/L的比率,经过电流镜晶体管86的电流量从通过电流镜晶体管72的电流被放大。通过使晶体管86的W/L大于晶体管66的W/L,经过电流镜晶体管86的电流量可以比通过电流镜晶体管72的电流大某个选定量。在各种实施例中,它可以在大20到300倍的范围内。例如,晶体管86的W/L比晶体管66的W/L大250倍。在其中低功率晶体振荡器电路510不包括电流镜晶体管86的实施例中,晶体管52的漏极和晶体管60的漏极被连接到电源。
[0049] 低功率晶体振荡器电路510还包括电流镜晶体管88,电流镜晶体管88具有第一端子、第二端子和栅极端子,其中晶体管88的第一端子电耦合至高电源214,晶体管的第二端子88电耦合至晶体管60的第一端子,并且晶体管88的栅极端子电耦合至电流镜晶体管66和86的栅极端子。基于电流镜晶体管88的W/L与晶体管66的W/L的比率,经过电流镜晶体管88的电流量从通过电流镜晶体管72的电流被放大。通过使晶体管88的W/L大于晶体管66的W/L,经过电流镜晶体管88的电流量可以比通过电流镜晶体管72的电流大某个选定量。在各种实施例中,它可以在大2到20倍的范围内。例如,晶体管84的W/L比晶体管66的W/L大4倍。
[0050] 低功率晶体振荡器电路510还包括电流镜晶体管90,电流镜晶体管90具有第一端子、第二端子和栅极端子,其中晶体管90的第二端子电耦合至低电源216,并且晶体管90的栅极端子电耦合至电流镜晶体管70、72和74的栅极端子。基于电流镜晶体管90的W/L与晶体管70的W/L的比率,经过电流镜晶体管90的电流量从通过电流镜晶体管70的电流被放大。通过使晶体管90的W/L大于晶体管70的W/L,经过电流镜晶体管90的电流量可以比通过电流镜晶体管70的电流大某个选定量。在各种实施例中,它可以在大2到20倍的范围内。例如,晶体管90的W/L比晶体管70的W/L大2倍。
[0051] 低功率晶体振荡器电路510还包括控制晶体管92和电容器94。控制晶体管92具有第一端子、第二端子和栅极端子,其中晶体管92的第二端子电耦合至晶体管90的第一端子。电容器94的第一端子电耦合至晶体管92的第一端子,并且电容器94的第二端子电耦合至低电源216。
[0052] 低功率晶体振荡器电路510还包括电流镜晶体管96,电流镜晶体管96具有第一端子、第二端子和栅极端子,其中晶体管96的第一端子电耦合至晶体管92的第一端子、晶体管96的第二端子电耦合至低电源216,并且晶体管96的栅极端子电耦合至电流镜晶体管70、
72、74和90的栅极端子。基于电流镜晶体管70的W/L与晶体管96的W/L的比率,经过电流源50的电流量将被放大。通过使晶体管96的W/L与晶体管70的W/L相同,经过电流镜晶体管96的电流量可以与通过电流镜晶体管70的电流相同。当然,晶体管96的W/L也可以大于晶体管70的W/L。
[0053] 低功率晶体振荡器电路510还包括电流镜晶体管98,电流镜晶体管98具有第一端子、第二端子和栅极端子,其中晶体管98的第一端子电耦合至高电源214,晶体管98的第二端子电耦合至晶体管92和96的第一端子,并且晶体管98的栅极端子电耦合至晶体管220的栅极端子。基于电流镜晶体管98的W/L与晶体管220的W/L的比率,经过电流镜晶体管98的电流量从通过电流镜晶体管220的电流被放大。通过使晶体管98的W/L大于晶体管220的W/L,经过电流镜晶体管98的电流量可以比通过电流镜晶体管220的电流大某个选定量。在各种实施例中,它可以在大2到100倍的范围内。例如,晶体管98的W/L比晶体管220的W/L大20倍。
[0054] 低功率晶体振荡器电路510还包括电流镜晶体管100,电流镜晶体管100具有第一端子、第二端子和栅极端子,其中晶体管100的第二端子电耦合至低电源216,并且晶体管100的栅极端子电耦合至电流镜晶体管70、72、74、90和96的栅极端子。基于电流镜晶体管70的W/L与晶体管100的W/L的比率,经过电流源50的电流量将被放大。通过使晶体管100的W/L与晶体管70的W/L相同,经过电流镜晶体管100的电流量可以与通过电流镜晶体管70的电流相同。当然,晶体管100的W/L也可以小于或大于晶体管70的W/L。
[0055] 低功率晶体振荡器电路510还包括控制晶体管102,控制晶体管102具有第一端子、第二端子和栅极端子,其中控制晶体管102的第一端子电耦合至高电源214,控制晶体管102的第二端子电耦合至电流镜晶体管100的第一端子,并且控制晶体管102的栅极端子电耦合至电流镜晶体管98的第二端子以及电流镜晶体管96的第一端子。在一个或多个实现方式中,控制晶体管102的W/L与晶体管70的W/L无关。
[0056] 低功率晶体振荡器电路510还包括控制晶体管104,控制晶体管104具有第一端子、第二端子和栅极端子,其中晶体管104的第一端子电耦合至晶体管222的第二端子,晶体管104的第二端子电耦合至晶体212的输出端子XTALOUT,并且晶体管104的栅极端子电耦合至晶体管102的第二端子、晶体管100的第一端子和晶体管92的栅极端子。在一个或多个实现方式中,控制晶体管104的W/L与晶体管70的W/L无关。
[0057] 低功率晶体振荡器电路510还包括电流镜晶体管106,电流镜晶体管106具有第一端子、第二端子和栅极端子,其中晶体管106的第一端子电耦合至高电源214,晶体管106的第二端子电耦合至控制晶体管104的第二端子,晶体管106的栅极端子电耦合至电流镜晶体管220和222的栅极端子。基于电流镜晶体管106的W/L与晶体管220的W/L的比率,经过电流镜晶体管106的电流量从通过电流镜晶体管220的电流被放大。通过使晶体管106的W/L大于晶体管220的W/L,经过电流镜晶体管106的电流量可以比通过电流镜晶体管220的电流大某个选定量。在各种实施例中,它可以在大20到120倍的范围内。例如,晶体管106的W/L和晶体管222的W/L比晶体管220的W/L大100倍。
[0058] 在一个或多个实现方式中,流经电流镜晶体管60的电流最初为200pA并且流经电流镜晶体管220的电流等于800pA,即,1nA‑200pA。流经电流镜晶体管98的电流为1.6nA。流经电流镜晶体管96的电流为1nA。因此,高电源214的电压被提供给控制晶体管102的栅极端子,这使控制晶体管102关断。流经电流镜晶体管100的电流为1nA,这使控制晶体管104接通并使晶体管92关断。
[0059] 随着操作继续,流经电流镜晶体管60的电流增大,这减小了流经电流镜晶体管220的电流。流经电流镜晶体管220的电流在电流镜晶体管98中被复制和倍增。当流经电流镜晶体管98的电流下降到1nA以下时,控制晶体管102接通。然后,流经电流镜晶体管96的1nA电流使控制晶体管104关断并使晶体管92接通。因此,电流镜晶体管222不再向晶体管224提供电流以驱动晶体212。而且,电流开始在晶体管90和92中流动。
[0060] 随着操作继续,如果晶体212的电压振荡的振幅减小,则流经电流镜晶体管220的电流开始增大。当流经电流镜晶体管220的电流开始上升时,流经电流镜晶体管98的电流也开始上升。当流经电流镜晶体管98的电流超过由电流镜晶体管90和96产生的电流时,控制晶体管102关断。然后,流经电流镜晶体管100的电流使控制晶体管104接通并使晶体管92关断。因此,电流镜晶体管222再次向晶体管224提供电流以驱动晶体212。电流镜晶体管90、92和96提供滞后,使得晶体管102以及因此晶体管104具有不同的阈值电压阈值以用于接通和关断。
[0061] 因此,晶体管90、92、96、98、100、102、104和106以及电容器94形成振幅检测电路,该振幅检测电路使低功率晶体振荡器电路510能够在晶体212的振荡振幅超过第一阈值时关断电流镜晶体管222,电流镜晶体管222被相对高的电流偏置。因此,低功率晶体振荡器电路510可以实现甚至更高的功率节省。另外,振幅检测电路使低功率晶体振荡器电路510能够在晶体212的振荡振幅下降到低于第二阈值时重新接通电流镜晶体管222。因此,低功率晶体振荡器电路510维持晶体212的振荡。
[0062] 可以组合上述各种实施例以提供更多实施例。例如,一些晶体管在图中被示为PMOS晶体管;然而,在不脱离本公开的范围的情况下,NMOS晶体管可以被用于那些晶体管。
[0063] 在本说明书中提及和/或在申请数据表中列出的所有美国专利、美国专利申请出版物、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利出版物均通过引用被整体并入本文。如果有必要采用各种专利、申请和出版物的概念来提供更多实施例,则可以修改实施例的各方面。
[0064] 可以按照以上详细描述对实施例进行这些和其他变化。一般而言,在所附的权利要求中,所使用的术语不应被解释为将权利要求限制为在说明书和权利要求中公开的具体实施例,而应被解释为包括所有可能的实施例以及这种权利要求对其享有权利的等同物的全部范围。因此,权利要求不受本公开的限制。
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