技术领域

本发明实施例涉及集成电路技术， 尤其涉及一种晶体振荡器。 背景技术

随着集成电路（Integrated Circuit, 缩写： IC)产业的发展， 振荡器已 经成为 IC电路不可缺少的一部分， 而振荡器可以分为 RC (电阻电容）振 荡器、 陶瓷振荡器、 晶体振荡器等。 其中， 晶体振荡器作为一种用于稳定 频率和选择频率的电子器件， 已被广泛应用于移动电话载波通讯、 广播电 视、 卫星通讯、 原子钟、 数字仪表、 计算机程控交换机、 VCD、 DVD, 铁 路信号及通信系统中的频率信号源设备中， 还可以作为温度、 压力、 重量 的感应元件使用。

但是， 由于互补金属氧化物半导体 ( Complementary Metal-Oxide

Semiconductor,简称： CMOS ) 的性能， 如起振条件、 工作电压等， 易受器 件的生产工艺以及工作环境的温度影响， 因此， 当晶体振荡器中的 CMOS 器件的生产工艺发生变化或者工作环境的温度 发生变化时， 需要较高的功 耗才能保证其正常振荡， 因此， 现有技术的晶体振荡器的功耗较高。 发明内容

本发明实施例提供一种晶体振荡器， 以解决现有技术的晶体振荡器的 功耗高的问题。

本发明提供一种晶体振荡器， 包括： 稳压单元、跨导单元、 反馈电阻、 谐振晶体和至少两个接地电容， 其中，

所述稳压单元包括： 电流源和第一支路， 其中

所述第一支路中包括依次串联的 P型金属氧化物半导体 PMOS和 N 型金属氧化物半导体 NMOS ,所述第一支路的 PMOS的源极与所述电流源 的输出端连接； 所述第一支路中， PMOS的栅极与 NMOS的栅极连接， PMOS的漏极与 NMOS的漏极连接， PMOS的栅极与 NMOS的漏极连接， 所述 NMOS的源极接地；

所述跨导单元包括第二支路， 所述第二支路中包括依次串联的 PMOS 和 NMOS , 所述第二支路中， PMOS的漏极与 NMOS的漏极连接， PMOS 的栅极与 NMOS的漏极连接， 所述第二支路中的 PMOS的源极与所述稳 压单元的电压输出端连接；

所述第二支路中的 PMOS的栅极和 NMOS的栅极均与所述谐振晶体 的输入端连接， 所述第二支路中的 PMOS的漏极和 NMOS的漏极均与所 述谐振晶体的输出端连接；

所述第二支路中的 PMOS的栅极和 NMOS的栅极均与所述反馈电阻 的一端连接， 所述第二支路中的 PMOS的漏极和 NMOS的漏极均与所述 反馈电阻的另一端连接；

至少两个所述接地电容， 分别连接在所述谐振晶体的两侧并接地。 本发明提供的晶体振荡器， 通过稳压单元中的电流源输出的电流经过 依次串联的 PMOS和 NMOS , 提供能够与 PMOS器件和 NMOS器件的生 产工艺自适应变化的电压， 使得稳压单元输出的电压能够自动地调节， 在 工艺变化和环境温度变化时， 能给晶体振荡器提供适合的工作电压， 使晶 体振荡器始终工作在亚阈值区， 从而降低晶体振荡器的功耗。 附图说明

图 1为本发明晶体振荡器实施例一的结构示意图� �

图 2为本发明晶体振荡器实施例一中的稳压单元� �结构示意图;

图 3为本发明晶体振荡器实施例一中跨导单元的� �构示意图； 图 4为本发明晶体振荡器实施例一中反馈电阻的� �构示意图。 具体实施方式 晶体振荡器的功耗与晶体振荡的工作电压密切 相关， 如果将晶体振荡 器的跨导单元的工作电压维持在 Vthp+Vthn附近， gp， 使得跨导单元中的 P型金属氧化物半导体（P-type Metal-Oxide Semiconductor, 简称： PMOS ) 和 N型金属氧化物半导体 （N-type Metal-Oxide Semiconductor, 简称： NMOS ) 工作在亚阈值区， 且晶振能维持正常工作， 则晶体振荡器的功耗 可以降到很低， 其中， Vthp为 PMOS的工作电压阈值， Vthn为 NMOS的 工作电压阈值。 例如， 32KHz的晶体振荡器， 如果使其工作在亚阈值区， 其功耗为几百纳安 （nA) 。 而如果晶体振荡器不工作在亚阈值区， 则其功 耗就会很高。

图 1为本发明晶体振荡器实施例一的结构示意图� � 如图 1所示， 本实 施例的晶体振荡器可以包括： 稳压单元 1、 跨导单元 2、 反馈电阻 3、 谐振 晶体 4和两个接地电容 5， 其中， 所述稳压单元 1用于提供工作电压， 所 述跨导单元 2用于根据电压的变化提供变化的且经过放大� �电流， 所述反 馈电阻 3用于提供稳定的工作点， 所述谐振晶体 4和两个接地电容 5用于 构成选频器件。

所述稳压单元 1可以包括： 电流源 11和第一支路 12， 其中， 所述第 一支路 12中包括依次串联的 PMOS和 NMOS ,所述第一支路 12的 PMOS 的源极与所述电流源 11的输出端连接； 所述第一支路中， PMOS的栅极 与 NMOS的栅极连接， PMOS的漏极与 NMOS的漏极连接， PMOS的栅 极与 NMOS的漏极连接， 所述 NMOS的源极接地；

所述跨导单元 2可以包括第二支路 21， 所述第二支路 21中包括依次 串联的 PMOS和 NMOS , 所述第二支路中， PMOS的漏极与 NMOS的漏 极连接， PMOS的栅极与 NMOS的漏极连接， 所述第二支路中的 PMOS 的源极与所述稳压单元 1的电压输出端连接；

所述第二支路 21中的 PMOS的栅极和 NMOS的栅极均与所述谐振晶 体 4的输入端连接， 所述第二支路 21中的 PMOS的漏极和 NMOS的漏极 均与所述谐振晶体 4的输出端连接，具体地，所述第二支路 21中的 PMOS 的栅极和 NMOS的栅极可以连接所述谐振晶体 4的正向引脚， 所述第二 支路 21中的 PMOS的和 NMOS的漏极可以连接所述谐振晶体 4的反向引 脚。 所述稳压单元 1输出的电压加在所述跨导单元 2的第二支路 21的 PMOS源极。

所述第二支路 21中的 PMOS和 NMOS的栅极与所述反馈电阻 3的一 端连接， 所述第二支路 21中的 PMOS和 NMOS的源极与所述反馈电阻 3 的另一端连接；

两个所述接地电容 5， 分别连接在所述谐振晶体 4的两侧并接地。 进一步具体地， 所述稳压单元 1具体可以包括： 电流源 11、 第一支路 12、 放大器 13、 稳压电容 14和相位补偿电容 15， 其中，

所述放大器 13的第一输入端可以与所述第一支路 12中的 PM0S的源 极连接， 并与所述电流源 11的输出端连接， 所述放大器 13的第二输入端 与所述放大器 13的输出端连接，并与所述相位补偿电容 15的第一端连接; 所述放大器 13的输出端还与所述跨导单元 2的 PMOS源极连接； 所述稳压电容 14的第一端可以与所述放大器 13的第一输入端连接； 所述稳压电容 14的第二端和所述相位补偿电容 15的第二端均接地。 晶体振荡器产生稳定振荡所需要的最低电压与 CMOS的工作的环境 温度及 CMOS的生产工艺有关， 当 CMOS工作环境的温度或 CMOS的生 产工艺发生变化时， 晶体振荡器振荡所需要的最低电压也会发生变 化。

现有技术的晶体振荡器的稳压源通常只能输出 固定的电压， 或者只能 手动调整稳压源输出的电压， 无法在 CMOS工作环境的温度或 CMOS的 生产工艺发生变化时， 自动地调节其输出的电压， 因此功耗较大。

在本实施例中， 稳压单元 1包含的第一支路 12中包括依次串联的

PMOS和 NMOS , 其连接方式与跨导单元 2中包含的第二支路 21中包括 的依次串联的 PMOS和 NMOS相一致， 因此， 当晶体振荡器的工作环境 的温度发生变化时， 电流源 11中输出的电流在经过所述第一支路 12中依 次串联的 PMOS和 NMOS所产生的电压也会发生变化， 并且其变化的趋 势与跨导单元 2的第二支路中依次串联的 PMOS和 NMOS相一致。并且， 由于在本实施例将放大器 13的第二输入端与所述放大器 13的输出端连 接， 使得放大器 13的功能相当于跟随器， 从而所述第一支路 12输出的电 压在经过相当于跟随器的放大器 13后， 该电压随着工作环境的温度的变 化趋势是不变的。 同样地， 经过稳压电容 14和相位补偿电容 15修正后的 电压的变化趋势也不变， 从而保证了稳压单元 1输出的电压随着工作环境 的温度同步变化。

并且，本实施例的晶体振荡器中包含的所有 CMOS器件可以采用同一 生产工艺下生产的器件， 这就保证了稳压单元 1中的 PMOS和 NMOS与 跨导单元 2中的 PMOS和 NMOS性能的偏差方向一致， 其工作电压的变 化和阈值电压变化趋势相一致。 本实施例的晶体振荡器， 通过稳压单元中的电流源输出的电流经过依 次串联的 PMOS和 NMOS , 提供能够随着工作环境的温度和 PMOS和

NMOS器件的生产工艺自适应变化的电压，使� �稳压单元输出的电压能够 根据生产工艺及温度自动地调节， 以满足晶体振荡器的工作情况变化时也 能提供适合的工作电压， 使晶体振荡器始终工作在亚阈值区， 从而降低晶 体振荡器的功耗。

进一步地， 上述实施例的晶体振荡器， 稳压单元 1中的所述第一支路 12的个数可以为 M， M可以为大于或等于 1的整数， 图 2为本发明晶体 振荡器实施例一中的稳压单元的结构示意图， 图 2中以 M为 4为例进行 描述。 如图 2所示， 所述各个第一支路 12之间可以互相并联； 所述稳压 单元还可以包括用于控制每个第一支路的连通 开关 16。本实施例的晶体振 荡器， 除了稳压单元 1采用图 2所示结构， 其他器件可以采用与图 1所示 实施例的晶体振荡器采用相同的结构， 其连接关系也可以与图 1所示实施 例的晶体振荡器相同。

进一步地，所述各个第一支路 12中的 PMOS和其他第一支路 12中的

PMOS的尺寸可以不同； 所述各个第一支路 12中的 NMOS和其他第一支 路 12中的 NMOS的尺寸可以不同， 这样， 可以使得控制每个第一支路连 通时稳压单元 1输出的电压均不相同， 再通过各个连通开关的组合， 可以 提供更多等级的输出电压。 例如， 可以设置为， 每个第一支路中的 PMOS 和 NMOS的宽长比分别为前一个第一支路中的 PMOS和 NMOS的宽长比 的两倍。 对于 M为 4的稳压单元， 在电流源提供的电流不变的情况下， 可以提供 15个等级的电压。

本实施例的晶体振荡器， 通过在稳压单元中包括多个第一支路， 提供 多个大小不同的电压等级； 进一步地， 通过将每个第一支路中的 CMOS 的尺寸设置为不同， 使各个第一支路分别连通时就能提供不同的输 出电 压， 通过连通开关的灵活使用， 能够提供更多大小不同的电压等级， 从而 增加了晶体振荡器电路的灵活性。

图 3为本发明晶体振荡器实施例一中跨导单元的� �构示意图， 如图 3 所示， 所述跨导单元 2中的第二支路 21的个数为可以 N， N可以为大于 或等于 1的整数， 图 3中以 N等于 5为例进行描述， 所述各个第二支路 21之间可以互相并联； 所述跨导单元 2还包括用于控制每个第二支路 21 的连通开关 22。本实施例的晶体振荡器， 除了稳压单元 1采用图 2所示结 构， 其他器件可以采用与图 1或图 2所示实施例的晶体振荡器采用相同的 结构， 其连接关系也可以与图 1或图 2所示实施例的晶体振荡器相同。

这是由于晶体振荡器能够实现的频率范围与跨 导单元的大小密切相 关，对于跨导值固定的跨导单元，只能使晶体 振荡器实现较小的频率范围， 本实施例中， 采用多个第二支路的形式， 并且每个第二支路中的 PMOS和 NMOS构成的跨导的跨导值大小不同， 以满足不同频率的需求。 通过控制 每个第二支路 21的连通开关， 可以扩大晶体振荡器的频率范围， 只要合 适地选择各个第二支路 21中跨导值的大小， 可以实现 32KHz到 30MHz 全频段的频率范围。 例如， 为了使振荡频率为 32KHz， 可以将跨导值设为 lOuS (微西门子） ； 为了使振荡频率为 20MHz, 可以将跨导值设为 lmS (毫西门子） 。 因此， 在晶体振荡器的频率由低变高时， 图 3所示的跨导 单元 2中的连通开关依次闭合， 可以逐步增大整个电路的跨导值， 使其满 足各种不同的振荡频率的要求， 以保证该晶体振荡器稳定振荡的特性。

进一步地， 本实施例的晶体振荡器中， 所述跨导单元 2还可以包括限 流电阻 23， 所述限流电阻 23可以串联在某个或某些第二支路 21中。这主 要是针对低频的情况， 例如 32KHz~200KHz的频段， 通常峰值电流较高， 可以在部分第二支路中加入限流电阻 23， 以减小峰值电流， 降低晶体振荡 器的功耗。

进一步地， 本实施例的晶体振荡器中， 所述反馈电阻 3可以设计为电 阻值可调的形式。 这是由于当晶体振荡器的频率变化时， 反馈电阻 3的电 阻值也需要变化， 通常， 对于频率从 32KHz提高到 30MHz, 反馈电阻的 电阻值需要从 20M欧姆减小到 100K欧姆， 因此， 将反馈电阻 3采用电阻 值可调的形式， 能够满足频率变化的需求。 图 4为本发明晶体振荡器实施 例一中反馈电阻的结构示意图， 如图 4所示， 反馈电阻 3可以由多个互相 串联的电阻构成， 可以根据需要调整的电阻数值大小， 为多个电阻分别并 联一个连通开关， 通过逐个闭合连通开关的方法调整电阻值， 实现对反馈 电阻的电阻值的灵活调整。

本实施例， 通过采用包含多个第二支路的跨导单元， 并通过连通开关 控制跨导单元的跨导值的大小， 以适应多种频率的需要， 晶体振荡器实现 超宽的频率范围； 通过在跨导单元中对应于低频的第二支路中设 置限流电 阻， 以实现晶体振荡器工作在低频时减小峰值电阻 ， 减小峰值电流， 降低 晶体振荡器的功耗； 通过采用电阻值可调的反馈电阻， 以适应多种频率的 需要， 进一步保证晶体振荡器在超宽的频率范围的稳 定振荡。

最后应说明的是： 以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案， 而非 对其限制； 尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的 说明， 本领域的 普通技术人员应当理解： 其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案 进 行修改， 或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替 换； 而这些修改或 者替换， 并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施 例技术方案的范 围。