CN111917377B - 晶体振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种晶体振荡器，包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管、第九晶体管、第一电容、第二电容、第三电容及隔离电阻。第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管及第八晶体管是P型晶体管。第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管及第九晶体管是N型晶体管。

Description

晶体振荡器
技术领域
本发明涉及一种晶体振荡器，特别是涉及一种能有效降低功耗的晶体振荡器。
背景技术
晶体振荡器被广泛运用于产生时钟信号。举凡消费性产品，如个人计算机，及其周边设备，掌上型计算机，移动电话，无线电电话，甚至蓝牙套件等皆会使用晶体振荡器。根据晶体类型的不同，晶体振荡器可被单独应用在硬件电路设计中或被嵌入集成电路或微处理器中。晶体振荡器在电子产品中占有着举足轻重的位置。在这些应用中，很多都需要准确且稳定的振荡频率，因此有越来越多的厂商开始注重晶体振荡线路的回路分析，先行做线路的确认以及调整，以达到最佳电路匹配。在电子产品持续缩小的趋势下，必须控制晶体振荡器的低功耗以将其应用在低功耗的集成电路中。因此需要提出一种可降低晶体振荡器功耗的设计。
发明内容
本发明实施例提供一种晶体振荡器，包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管、第九晶体管、第一电容、第二电容、第三电容及隔离电阻。第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管及第八晶体管是P型晶体管。第五晶体管、第六晶体管、第七晶体管及第九晶体管是N型晶体管。
附图说明
图1为实施例中晶体振荡器的示意图。
图2为图1中晶体振荡器的操作信号图。
图3为另一实施例中晶体振荡器的示意图。
【主要元件符号说明】
100、200 晶体振荡器
M1至M9 晶体管
C1至C3 电容
Rf 隔离电阻
VDD 第一参考电位端
GND 第二参考电位端
VBP 第一偏压端
VBN 第二偏压端
VOUT 振荡器输出端
XTAL 晶体元件
XIN 晶体元件的第一端
XOUT 晶体元件的第二端
Amp 放大器
I 驱动电流
具体实施方式
图1是本发明实施例中晶体振荡器100的示意图。晶体振荡器100包括第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6、第七晶体管M7、第八晶体管M8、第九晶体管M9、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3及隔离电阻Rf。
第一晶体管M1包括第一端耦接于第一参考电位端VDD，第二端及控制端耦接于第一偏压端VBP。第二晶体管M2包括第一端耦接于第一晶体管M1的第二端，第二端耦接于第二偏压端VBN及控制端耦接于振荡器100的输出端VOUT。第三晶体管M3包括第一端耦接于第一参考电位端VDD，第二端及控制端。第四晶体管M4包括第一端耦接于第一参考电位端VDD，第二端及控制端耦接于第三晶体管M3的控制端。第五晶体管M5包括第一端耦接于第二偏压端VBN，第二端耦接于第二参考电位端GND及控制端耦接于第二偏压端VBN。第六晶体管M6包括第一端耦接于第三晶体管M3的第二端，第二端耦接于第二参考电位端GND及控制端耦接于第二偏压端VBN。第七晶体管M7包括第一端耦接于第四晶体管M4的第二端，第二端耦接于第二参考电位端GND及控制端。第八晶体管M8包括第一端耦接于第一参考电位端VDD，第二端耦接于输出端VOUT及控制端耦接于第三晶体管M3的控制端。第九晶体管M9包括第一端耦接于输出端VOUT，第二端耦接于第二参考电位端GND及控制端耦接于所述第七晶体管M7的控制端。晶体元件XTAL包括第一端XIN耦接于第七晶体管M7的控制端及第二端XOUT耦接于第七晶体管M7的第一端。
第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4及第八晶体管M8是P型晶体管。第五晶体管M5、第六晶体管M6、第七晶体管M7及第九晶体管M9是N型晶体管。
第一电容C1包括第一端耦接于第二偏压端VBN及第二端耦接于第二参考电位端GND。第二电容C2包括第一端耦接于晶体元件XTAL的第一端XIN及第二端耦接于第二参考电位端GND。第三电容C3包括第一端耦接于晶体元件XTAL的第二端XOUT及第二端耦接于第二参考电位端GND。隔离电阻Rf包括第一端耦接于晶体元件XTAL的第一端XIN及第二端耦接于晶体元件XTAL的第二端XOUT。
图2为图1中晶体振荡器的操作信号图，垂直轴表示电压，水平轴表示时间。当输出端VOUT为低电位时，第二晶体管M2为导通并且第一偏压端VBP提供一电压用以控制第一晶体管M1的电流，电流由第一参考电位端VDD流至第一电容C1对第一电容C1进行充电，同时使第二偏压端VBN的电位上升，第二偏压端VBN的最大值会小于第一参考电压VDD。一电流会由第一参考电位端VDD经第三晶体管M3及第六晶体管M6流至第二参考电位端GND，此电流的大小由第二偏压端VBN的电位所控制。第三晶体管M3及第四晶体管M4组成电流镜(currentmirror)，驱动电流I由第一参考电位端VDD经第四晶体管M4及第七晶体管M7流至第二参考电位端GND，第七晶体管M7作为反向放大器，工作在具有增益的中间过渡区域，驱动晶体元件XTAL产生一抗阻电流，使第二端XOUT的电位上升，再经由第八晶体管M8及第九晶体管M9所组成的共源极放大器(common source amplifier)，放大第二端XOUT的信号，使振荡器输出端VOUT的电位上升。晶体元件XTAL与第二电容C2及第三电容C3组成带通滤波器，可过滤晶体振荡产生的噪声。隔离电阻Rf用于降低晶体元件XTAL的驱动功率，以防止晶体元件XTAL的第二端XOUT的电压超过容许的驱动功率。
当晶体元件XTAL的第二端XOUT的电位上升至一电平值时，振荡器输出端VOUT达到高电位并维持在高电位。此时第二晶体管M2为截止，第一电容C1经由第五晶体管M5放电至第二参考电位端GND，使第二偏压端VBN的电位下降。同时VBN的电位下降使得流经第六晶体管M6的电流量开始下降，驱动电流I的电流量也随之下降，使晶体元件XTAL的第二端XOUT的电位则反转下降，再经由第八晶体管M8及第九晶体管M9所组成的共源极放大器，放大第二端XOUT的信号，使输出端VOUT的电位下降。当晶体元件XTAL的第二端XOUT的电位下降至一电平值时，振荡器输出端VOUT达到低电位并维持在低电位。此时第二晶体管M2则再度导通，第一电容C1再度进行充电，使第二偏压端VBN的电压上升，进而使驱动电流I上升。如此重复的操作可使输出端VOUT成为方波时钟输出。与现有技术比较，驱动电流I的振幅会明显下降，使所耗的功率下降，晶体振荡器100则可在较低功率下操作。
图3为本发明另一实施例中晶体振荡器200的示意图。与晶体振荡器100的不同处在于，晶体振荡器200以放大器Amp代替第八晶体管M8及第九晶体管M9，用以放大晶体振荡所产生的弦波信号使其成为方波。放大器Amp包括输入端及输出端。输入端耦接于晶体元件XTAL的第二端XOUT，输出端耦接于振荡器200的输出端VOUT。放大器Amp可为晶体管多级放大器。晶体振荡器200与晶体振荡器100的操作方式实质上相同，在此不赘述。
综上所述，本发明实施例中的晶体振荡器利用晶体的压电效应来产生高精度振荡频率，与现有技术比较，本发明中的晶体振荡器藉由控制电路偏压端的电压可有效降低电路所耗功率，以解决现今晶体振荡器存在耗电量大的问题，所以可被扩大应用在由低功耗的集成电路的产品如微处理器及射频芯片等，以实现新一代无线通信的技术。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种晶体振荡器，其特征在于，包括：
第一晶体管，包括：
第一端，耦接于第一参考电位端；
第二端；及
控制端，耦接于第一偏压端；
第二晶体管，包括：
第一端，耦接于所述第一晶体管的所述第二端；
第二端，耦接于第二偏压端；及
控制端，耦接于所述振荡器的输出端；
第三晶体管，包括：
第一端，耦接于所述第一参考电位端；
第二端；及
控制端；
第四晶体管，包括：
第一端，耦接于所述第一参考电位端；
第二端；及
控制端，耦接于所述第三晶体管的所述控制端；
第五晶体管，包括：
第一端，耦接于所述第二偏压端；
第二端，耦接于第二参考电位端；及
控制端，耦接于所述第二偏压端；
第六晶体管，包括：
第一端，耦接于所述第三晶体管的所述第二端；
第二端，耦接于所述第二参考电位端；及
控制端，耦接于所述第二偏压端；
第七晶体管，包括：
第一端，耦接于所述第四晶体管的所述第二端；
第二端，耦接于所述第二参考电位端；及
控制端；
第八晶体管，包括：
第一端，耦接于所述第一参考电位端；
第二端；耦接于所述输出端；及
控制端，耦接于所述第三晶体管的所述控制端；
第九晶体管，包括：
第一端，耦接于所述输出端；
第二端，耦接于所述第二参考电位端；及
控制端，耦接于所述第七晶体管的所述控制端；
晶体元件，包括：
第一端，耦接于所述第七晶体管的所述控制端；及
第二端，耦接于所述第七晶体管的所述第一端，
第一电容，包括：
第一端，耦接于所述第二偏压端；及
第二端，耦接于所述第二参考电位端；及
第二电容，包括：
第一端，耦接于所述晶体元件的所述第一端；及
第二端，耦接于所述第二参考电位端；及
第三电容，包括：
第一端，耦接于所述晶体元件的所述第二端；及
第二端，耦接于所述第二参考电位端；及
隔离电阻，包括：
第一端，耦接于所述晶体元件的所述第一端；及
第二端，耦接于所述晶体元件的所述第二端。
2.如权利要求1所述的晶体振荡器，其特征在于，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管、所述第四晶体管及所述第八晶体管是P型晶体管。
3.如权利要求1所述的晶体振荡器，其特征在于，所述第五晶体管、所述第六晶体管、所述第七晶体管及所述第九晶体管是N型晶体管。
4.一种晶体振荡器，其特征在于，包括：
第一晶体管，包括：
第一端，耦接于第一参考电位端；
第二端；及
控制端，耦接于第一偏压端；
第二晶体管，包括：
第一端，耦接于所述第一晶体管的所述第二端；
第二端，耦接于第二偏压端；及
控制端，耦接于所述振荡器的输出端；
第三晶体管，包括：
第一端，耦接于所述第一参考电位端；
第二端；及
控制端；
第四晶体管，包括：
第一端，耦接于所述第一参考电位端；
第二端；及
控制端，耦接于所述第三晶体管的所述控制端；
第五晶体管，包括：
第一端，耦接于所述第二偏压端；
第二端，耦接于第二参考电位端；及
控制端，耦接于所述第二偏压端；
第六晶体管，包括：
第一端，耦接于所述第三晶体管的所述第二端；
第二端，耦接于所述第二参考电位端；及
控制端，耦接于所述第二偏压端；
第七晶体管，包括：
第一端，耦接于所述第四晶体管的所述第二端；
第二端，耦接于所述第二参考电位端；及
控制端；
晶体元件，包括：
第一端，耦接于所述第七晶体管的所述控制端；及
第二端，耦接于所述第七晶体管的所述第一端；放大器，包括：
输入端，耦接于所述晶体元件的所述第二端；及
输出端，耦接于所述振荡器的输出端，
第一电容，包括：
第一端，耦接于所述第二偏压端；及
第二端，耦接于所述第二参考电位端；及
第二电容，包括：
第一端，耦接于所述晶体元件的所述第一端；及
第二端，耦接于所述第二参考电位端；及
第三电容，包括：
第一端，耦接于所述晶体元件的所述第二端；及
第二端，耦接于所述第二参考电位端；及
隔离电阻，包括：
第一端，耦接于所述晶体元件的所述第一端；及
第二端，耦接于所述晶体元件的所述第二端。
5.如权利要求4所述的晶体振荡器，其特征在于，所述放大器是晶体管多级放大器。
6.如权利要求4所述的晶体振荡器，其特征在于，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管及所述第四晶体管是P型晶体管。
7.如权利要求4所述的晶体振荡器，其特征在于，所述第五晶体管、所述第六晶体管及所述第七晶体管是N型晶体管。
8.如权利要求1或4所述的晶体振荡器，其特征在于，所述晶体元件为压电材料所组成，用以产生高精度振荡频率。
9.如权利要求1或4所述的晶体振荡器，其特征在于，所述第一参考电位端提供***电压，所述第二参考电位端提供接地电压。
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