阅读说明：本技术 一种快速起振的晶体振荡电路及起振方法 (Crystal oscillation circuit capable of starting oscillation rapidly and oscillation starting method ) 是由 李程 秦波 董宗宇 于 2020-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明实施例公开了一种快速起振的晶体振荡电路及起振方法；所述晶体振荡电路可以包括：控制部分、环形振荡器部分以及晶体振荡部分；其中,所述控制部分,经配置为向所述环形振荡器部分提供可变电压或可变电流；所述环形振荡器部分,经配置为根据所述可变电压或可变电流生成用于注入所述晶体振荡部分的控制信号；其中,所述控制信号的频率随时间由高向低变化且变化范围覆盖了所述晶体振荡部分中晶振开始起振时所对应的目标频率；所述晶体振荡部分,经配置为相应于所述控制信号的频率下降至所述目标频率,基于所述控制信号与所述晶体振荡部分中晶振所产生的共振能量促使所述晶振起振。(The embodiment of the invention discloses a crystal oscillation circuit capable of starting oscillation rapidly and an oscillation starting method; the crystal oscillation circuit may include: a control section, a ring oscillator section, and a crystal oscillation section; wherein the control portion is configured to provide a variable voltage or a variable current to the ring oscillator portion; the ring oscillator section configured to generate a control signal for injection into the crystal oscillation section according to the variable voltage or variable current; the frequency of the control signal changes from high to low along with time, and the change range covers a target frequency corresponding to the starting of oscillation of a crystal oscillator in the crystal oscillation part; the crystal oscillation part is configured to reduce the frequency corresponding to the control signal to the target frequency, and the crystal oscillator is caused to start oscillation based on the control signal and the resonance energy generated by the crystal oscillator in the crystal oscillation part.)

一种快速起振的晶体振荡电路及起振方法

技术领域

本发明实施例涉及电子技术领域，尤其涉及一种快速起振的晶体振荡电路及起振方法。

背景技术

晶体振荡器（CO，Crystal Oscillator）简称为晶振，是一种高精度、高稳定度以及高品质因数的振荡器，在电子电路应用中，可与其它元件配合产生特定振荡频率的标准脉冲信号作为时钟信号或为特定系统提供基准信号。

对于常规的晶体振荡器电路来说，一直存在起振时间过长的问题，起振时间通常会达到毫秒级别。以低功耗芯片为例，尤其是具有休眠唤醒功能的芯片，较长的起振时间严重地影响了芯片的唤醒时间，尤其在频繁唤醒的实践中，更加严重地影响了芯片的性能；与此同时，由于唤醒时间的加长，使得集成该芯片的电子系统中的其他工作部件都会在起振时间段内等待晶体振荡器起振后所发送的时钟信号，因此在电子系统启动过程中产生了不必要的功耗，这对于低功耗场景，尤其是物联网移动设备场景是不可接受的。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例期望提供一种快速起振的晶体振荡电路及起振方法；能够降低起振时间，实现快速起振。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种快速起振的晶体振荡电路，所述电路包括：控制部分、环形振荡器部分以及晶体振荡部分；其中，

所述控制部分，经配置为向所述环形振荡器部分提供可变电压或可变电流；

所述环形振荡器部分，经配置为根据所述可变电压或可变电流生成用于注入所述晶体振荡部分的控制信号；其中，所述控制信号的频率随时间由高向低变化且变化范围覆盖了所述晶体振荡部分中晶振开始起振时所对应的目标频率；

所述晶体振荡部分，经配置为相应于所述控制信号的频率下降至所述目标频率，基于所述控制信号与所述晶体振荡部分中晶振所产生的共振能量促使所述晶振起振。

第二方面，本发明实施例提供了一种快速起振的方法，所述方法应用于第一方面所述的快速起振的晶体振荡电路，所述方法包括：

控制部分向环形振荡器部分提供可变电压或可变电流；

环形振荡器部分根据所述可变电压或可变电流生成用于注入晶体振荡部分的控制信号；其中，所述控制信号的频率随时间由高向低变化且变化范围覆盖了所述晶体振荡部分中晶振开始起振时所对应的目标频率；

相应于所述控制信号的频率下降至所述目标频率，所述晶体振荡部分基于所述控制信号与所述晶体振荡部分中晶振所产生的共振能量促使所述晶振起振。

本发明实施例提供了一种快速起振的晶体振荡电路及起振方法；基于控制部分所提供的可变电压或可变电流，以达到环形振荡器部分提供的控制信号的频率由高到低进行变化且变化的范围覆盖了晶振起振所对应的目标频率；当控制信号的频率降低至目标频率时，基于共振导致能量耦合至晶体振荡部分中的晶振，从而促使晶体振荡部分中的晶振能够借由共振能量快速起振，达到短时间起振的效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种快速起振的晶体振荡电路组成示意框图。

图2为本发明实施例提供的另一种快速起振的晶体振荡电路组成示意框图。

图3为本发明实施例提供的一种快速起振的晶体振荡电路的电路结构示意图。

图4为本发明实施例提供的参考电压所对应的PMOS输出电流值与选择开关所接通的档位之间的对应关系示意图。

图5为本发明实施例提供的另一种快速起振的晶体振荡电路的电路结构示意图。

图6为本发明实施例提供的PMOS输出电流随开关开启、闭合状态的波形示意图。

图7为本发明实施例提供的又一种快速起振的晶体振荡电路的电路结构示意图。

图8为本发明实施例提供的参考电压的电压值所对应的PMOS输出电压值与选择开关所接通的档位之间的对应关系示意图。

图9为本发明实施例提供的再一种快速起振的晶体振荡电路的电路结构示意图。

图10为本发明实施例提供的PMOS输出电压随开关开启、闭合状态的波形示意图。

图11为本发明实施例提供的环振信号的幅度-时间波形示意图。

图12为本发明实施例提供的环振信号的频率-时间波形示意图。

图13为本发明实施例提供的晶振XTAL的振幅-时间波形示意图。

图14为本发明实施例提供的一种快速起振的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1，其示出了本发明实施例提供的一种快速起振的晶体振荡电路10，该电路10可以包括：控制部分11、环形振荡器部分12以及晶体振荡部分13；其中，

所述控制部分11，经配置为向所述环形振荡器部分12提供可变电压或可变电流；

所述环形振荡器部分12，经配置为根据所述可变电压或可变电流生成用于注入所述晶体振荡部分13的控制信号；其中，所述控制信号的频率随时间由高向低变化且变化范围覆盖了所述晶体振荡部分13中晶振开始起振时所对应的目标频率；

所述晶体振荡部分13，经配置为相应于所述控制信号的频率下降至所述目标频率，基于所述控制信号与所述晶体振荡部分13中晶振所产生的共振能量促使所述晶振起振。

可以理解地，通常来说，利用环振从固定频率降低至特定频率的速度要远远快于晶振从0频率提高至该特定频率的速度，因此，图1所示的快速起振的晶体振荡电路10，基于控制部分11所提供的可变电压或可变电流，以达到环形振荡器部分12提供的控制信号的频率由高到低进行变化且变化的范围覆盖了晶振起振所对应的目标频率；当控制信号的频率降低至目标频率时，基于共振导致能量耦合至晶体振荡部分13中的晶振，从而促使晶体振荡部分13中的晶振能够借由共振能量快速起振，达到短时间起振的效果。

对于图1所示的晶体振荡电路10，如图2所示，环形振荡器部分12可以包括由多个反相器（INV，INVerter）串接组成的反相器串，通常，为了实现环形振荡反相器串中所包含的反相器数量为奇数个，从图2可以看出，反相器串所包含的所有反相器的电源端均连接至控制部分11的输出端，从而能够接收到可变电压或可变电流；并且，在反相器串中，前级反相器的输出与后级反相器的输入相连，而末级反相器的输出端不仅为环形振荡器部分12的输出端以输出控制信号，而且末级反相器的输出端与首级反相器的输入端相连，从而形成反馈。

在图1所示的晶体振荡电路10中，仍然如图2所示，晶体振荡部分13则可以包括两个开关、三个反相器、偏置电流源、晶振XTAL、N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管（N-MOS，N-Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）M、反馈电阻、两个电容以及缓冲器；

其中，第一开关S1和第二开关S2的一端均连接至环形振荡器部分12的输出端；

第一开关S1的另一端连接至第一反相器INV 1的输入端，第一反相器INV 1的输出端连接至第二反相器INV 2的输入端，第二反相器INV 2的输出端连接至晶振XTAL的一端；第二反相器INV 2的输出端还连接至N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管M的漏极D、偏置电流源的输出端、缓冲器的输入端以及第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端接地；

第二开关S2的另一端连接至第三反相器INV 3的输入端，第三反相器INV 3的输出端连接至晶振XTAL的一端，从而形成晶振XTAL的差分输入；第三反相器INV 3的输出端还连接至第二电容C2的一端，第二电容C2的另一端接地；第三反相器INV 3的输出端还连接至N-MOSM的栅极G；N-MOS M的源极S接地，并且所述反馈电阻跨接于N-MOS M的漏极和栅极。

通过图2中所示的晶体振荡部分13，通过控制第一开关S1和第二开关S2的闭合或开启，以使得环形振荡器部分12所产生的共振能量，经由反相器传递给晶振（XTAL，crystaloscillator）的差分输入两端。第一电容C1和第二电容C2可以微调晶振XTAL的工作频率，同时也可以代表负载以及印刷电路板（PCB，Printed Circuit Board）上的电容。由偏置电流源Ibias提供电流，N-MOS M和反馈电阻Rb作为晶振XTAL的负阻提供晶振电路损耗的能量，最后晶体振荡部分13所得到的振荡信号经由缓冲器（BUF，buffer）的输出端OUT输出最终的时钟信号。

结合图1和图2所示，根据前述控制部分11能够向环形振荡器部分12提供可变电压或可变电流，在本发明实施例中，控制部分11可以示例性地通过以下四种方式实现，具体可参见图3至图10所示。

在一些示例中，控制部分11可以基于电阻串向环形振荡器部分12提供可变电流以生成控制信号，具体如图3所示，控制部分11可以包括：由n个电阻串接所形成的电阻串、选择开关Sk、放大器（AMP，amplifier）、负载电阻（RL，Resistor Load）以及由两个P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管（P-MOS）组成的镜像电流源；其中，通过选择开关Sk选择接通所述电阻串中的不同电阻以输出不同的参考电压，参考电压的对应的PMOS输出电流值与选择开关Sk所接通的档位之间的对应关系如图4所示，由图4可以看出，通过选择开关SK所接通的不同档位可以调节所输出的参考电压的电压值对应的PMOS输出电流值，从而使得输出电流值能够在一定的范围内进行调节；参考电压通过放大器AMP的负向输入端输入，放大器AMP的正向输入端与负载电阻RL的一端相连，负载电阻RL的另一端接地，从而使得放大器AMP和负载电阻RL形成负反馈；在镜像电流源中，第一P-MOS Q1以及第二P-MOS Q2的源极均接通电源VDD，第一P-MOS Q1的栅极和第二P-MOS Q2的栅极相连，并且第一P-MOS Q1的栅极还连接放大器AMP的输出端，第一P-MOS Q1的漏极连接放大器AMP的正向输入端，第二P-MOSQ2的漏极为控制部分11的输出端，也就是说，第二P-MOS Q2的漏极与环形振荡器部分12中的反相器串所包含的所有反相器的电源端相连，以向环形振荡器部分12提供可变电流，从而控制环形振荡器部分12工作频率处于一个可变的范围内。

基于上述示例，控制部分11向环形振荡器部分12提供可变电流之后，可以通过开启晶体振荡部分13中的第一开关S1和第二开关S2，使得环形振荡器部分12产生的共振能量经由晶体振荡部分13中的反相器传递给晶振XTAL的差分输入两端。

在一些示例中，控制部分11可以基于电阻电容向环形振荡器部分12提供连续缓慢变化的电流以生成控制信号，具体如图5所示，控制部分11可以包括：两个开关、分压电阻R1、第三电容C3、放大器（AMP，amplifier）、负载电阻（RL，Resistor Load）以及由两个P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管（P-MOS）组成的镜像电流源；其中，两个开关中的第三开关S3的一端连接电源VDD，另一端连接第四开关S4的一端，第四开关S4的另一端连接分压电阻R1的一端，分压电阻R1的另一端接地，第三开关S3和第四开关S4的连接端与第三电容C3的一端、放大器AMP的负向输入端相连，第三电容C3的另一端接地；放大器AMP的正向输入端与负载电阻RL的一端相连，负载电阻RL的另一端接地，从而使得放大器AMP和负载电阻RL形成负反馈；在镜像电流源中，第一P-MOS Q1以及第二P-MOS Q2的源极均接通电源VDD，第一P-MOS Q1的栅极和第二P-MOS Q2的栅极相连，并且第一P-MOS Q1的栅极还连接放大器AMP的输出端，第一P-MOS Q1的漏极连接放大器AMP的正向输入端，第二P-MOS Q2的漏极即为控制部分11的输出端，也就是说，将第二P-MOS Q2的漏极与环形振荡器部分12中的反相器串所包含的所有反相器的电源端相连，以向环形振荡器部分12提供可变电流，从而控制环形振荡器部分12工作频率处于一个可变的范围内。

对于上述示例，通过第三开关S3的开闭、第四开关S4的开闭以及分压电阻R1的阻值、第三电容C3的容值调节放大器AMP的负向输入端电压对应的PMOS管输出的电流值，从而可以得到如图6所示，电流随开关开启、闭合状态的波形图，从图6中可以看出，输出至放大器AMP的负向输入端的电压对应的PMOS管输出的电流值同样能够在一定的范围内进行改变。

基于上述示例，控制部分11向环形振荡器部分12提供可变电流之后，可以通过闭合晶体振荡部分13中的第一开关S1和第二开关S2，使得环形振荡器部分12产生的共振能量经由晶体振荡部分13中的反相器传递给晶振XTAL的差分输入两端。

在一些示例中，控制部分11可以基于电阻串向环形振荡器部分12提供可变电压以生成控制信号，具体如图7所示，控制部分11可以包括：由n个电阻串接所形成的电阻串、选择开关Sk、放大器（AMP，amplifier）以及P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管（P-MOS）M1；其中，通过选择开关Sk选择接通所述电阻串中的不同电阻以输出不同的参考电压，参考电压所对应的PMOS输出电压值与选择开关Sk所接通的档位之间的对应关系如图8所示，由图8可以看出，通过SK所接通的不同档位可以调节所输出的参考电压对应的PMOS输出电压值，从而使得参考电压对应的PMOS输出电压能够在一定的范围内进行调节；参考电压通过放大器AMP的负向输入端输入，放大器AMP的正向输入端与P-MOS M1的漏极相连，从而使得放大器AMP形成负反馈；此外，P-MOS M1的源极接通电源VDD，P-MOS M1的栅极与放大器AMP的输出端相连接，P-MOS M1的漏极为控制部分11的输出端，也就是说，P-MOS M1的漏极与环形振荡器部分12中的反相器串所包含的所有反相器的电源端相连，以向环形振荡器部分12提供可变电压，从而控制环形振荡器部分12工作频率处于一个可变的范围内。

基于上述示例，控制部分11向环形振荡器部分12提供可变电压之后，可以通过开启晶体振荡部分13中第一开关S1和第二开关S2，使得环形振荡器部分12产生的共振能量经由晶体振荡部分13中的反相器传递给晶振XTAL的差分输入两端。

在一些示例中，控制部分11可以基于电阻电容向环形振荡器部分12提供缓慢连续变化的电压以生成控制信号，具体如图9所示，控制部分11可以包括：两个开关、分压电阻R1、第三电容C3、放大器（AMP，amplifier）以及P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管（P-MOS）M1；其中，两个开关中的第三开关S3的一端连接电源VDD，另一端连接第四开关S4的一端，第四开关S4的另一端连接分压电阻R1的一端，分压电阻R1的另一端接地，第三开关S3和第四开关S4的连接端与第三电容C3的一端、放大器AMP的负向输入端相连，第三电容C3的另一端接地；放大器AMP的正向输入端与P-MOS M1的漏极相连，从而使得放大器AMP形成负反馈；P-MOS M1的源极接通电源VDD，P-MOS M1的栅极连接放大器AMP的输出端，P-MOS M1的漏极即为控制部分11的输出端，也就是说，将P-MOS M1的漏极与环形振荡器部分12中的反相器串所包含的所有反相器的电源端相连，以向环形振荡器部分12提供可变电压，从而控制环形振荡器部分12工作频率处于一个可变的范围内。

对于上述示例，通过第三开关S3的开闭、第四开关S4的开闭以及分压电阻R1的阻值、第三电容C3的容值调节输出至放大器AMP的负向输入端的电压，从而可以得到如图10所示，PMOS输出电压随开关开启、闭合状态的波形图，从图10中可以看出，输出至放大器AMP的负向输入端的电压对应的PMOS管输出的电压值同样能够在一定的范围内进行改变。

基于上述示例，控制部分11向环形振荡器部分12提供可变电压之后，可以通过闭合晶体振荡部分13中的第一开关S1和第二开关S2，使得环形振荡器部分12产生的共振能量经由晶体振荡部分13中的反相器传递给晶振XTAL的差分输入两端。

结合以上图3至图10所示的四种示例性的控制部分11实现实例，藉由控制部分11向环形振荡器部分12提供可变电压或可变电流，从而激励晶振起振，环形振荡器部分12所产生的环振信号（也就是前述技术方案中所述的控制信号）的幅度-时间波形图如图11所示，从图11中可以看出，环振信号的波形密度随时间由密到疏的变化，体现了环振信号的频率随时间由高到低的变化。进一步地，参见图12所示的环振信号的频率-时间波形图，虚线表示晶体振荡部分13中晶振XTAL基于共振而起振的目标频率，实线表示环振信号的频率-时间波形，从图12中可以看出，环振信号的频率变化范围覆盖了晶振XTAL的目标频率，并且在t0时刻，环振信号的频率刚好和晶振XTAL的目标频率相等，此时环形振荡器部分12产生的共振能量被晶振XTAL接收，从而促使晶振XTAL开始起振。结合图11以及图12所示，参见图13，其示出了晶振XTAL的振幅-时间波形图，从图13中可以看出，在环振信号频率等于晶振起振的目标频率的时候，也就是时刻t0，晶振接受到了来自环振信号的共振能量，促使晶振开始起振。

基于前述技术方案相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种快速起振的方法，该方法可以应用于前述技术方案中所述的晶体振荡电路10，参见图14，所述方法包括：

S141：控制部分向环形振荡器部分提供可变电压或可变电流；

S142：环形振荡器部分根据所述可变电压或可变电流生成用于注入晶体振荡部分的控制信号；

其中，所述控制信号的频率随时间由高向低变化且变化范围覆盖了所述晶体振荡部分中晶振开始起振时所对应的目标频率；

S143：相应于所述控制信号的频率下降至所述目标频率，所述晶体振荡部分基于所述控制信号与所述晶体振荡部分中晶振所产生的共振能量促使所述晶振起振。

可以理解地，对于图14所示的快速起振的方法，其各步骤的具体实现实例可参见前述技术方案中对于晶体振荡电路10的组成部分的具体阐述示例，本发明实施例在此不作赘述。

本发明实施例所提供的技术方案，基于控制部分所提供的可变电压或可变电流，以达到环形振荡器部分提供的控制信号的频率由高到低进行变化且变化的范围覆盖了晶振起振所对应的目标频率；当控制信号的频率降低至目标频率时，基于共振导致能量耦合至晶体振荡部分中的晶振，从而促使晶体振荡部分中的晶振能够借由共振能量快速起振，达到短时间起振的效果。

需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。