一种基于多相注入振荡器的晶体振荡器电路
阅读说明：本技术 一种基于多相注入振荡器的晶体振荡器电路 (Crystal oscillator circuit based on multiphase injection oscillator ) 是由 张文京 王耀晨 王子轩 廉政 蔡志匡 谢祖帅 于 2021-02-04 设计创作，主要内容包括：一种基于多相注入振荡器的晶体振荡器电路,采用具有多相激励信号输出的新型驰张振荡器,利用开关矩阵对这些信号进行统一切换,将其输出到晶体进行能量注入,使晶体在短时间内快速起振,在保证低功耗的前提下,启动时间接近最小理论值,并且具有较大的稳态输出摆幅,解决了传统注入技术注入频率不准的问题。(The utility model provides a crystal oscillator circuit based on heterogeneous injection oscillator, adopts the novel relaxation oscillator that has heterogeneous excitation signal output, utilizes switch matrix to unify these signals and switches over, carries out the energy injection with it output to the crystal, makes the crystal start shaking fast in the short time, under the prerequisite of guaranteeing low-power consumption, the start-up time is close minimum theoretical value to have great steady state output swing, solved the inaccurate problem of traditional injection technique injection frequency.)
技术领域
本发明涉及一种基于多相注入振荡器的晶体振荡器电路，属于集成电路技术领域。
背景技术
新兴领域的出现，例如：用于医疗保健应用的人体局域网和用于物联网的大规模无线传感技术，要求超低功耗电子设备来延长电池寿命。降低功耗，延长电池寿命的一种常用方法是对整个系统周期性通电并以间歇方式运行。无线传感器节点主要构成用于通信的收发器、用于数据转换的模数转换器和后端处理模块，所有这些都需要低功耗。这些模块中的参考频率合成、数字时钟时基和载波频率生成通常使用晶体振荡器（XO）来实现。XO的启动时间（兆赫（MHz）晶体为几毫秒）成为了限制功率循环方案效率和性能的瓶颈，从而增加了系统等待时间和待机功耗。 综上所述，实现减少晶体振荡器（XO）的启动时间具有重要意义。
近几年来，针对快速启动的晶体振荡器已经有不少的研究。增大负载电容以增大有源电路的负电阻的方法可以减少晶体振荡器的起振时间，但同时要增大放大器的增益，这会增加启动的功耗，如果采用高增益多级电路，则反相放大器会引入明显的相移，该相移会随PVT的变化而变化，损害XO频率的稳定性和准确性。通过环形振荡器注入能量的方式来加速晶体振荡器起振要求环形振荡器的频率必须和晶振的频率一致，但环形振荡器的振荡频率非常容易受到PVT的影响。通过DI（Dithered-Injection）和CI（Chirp-Injection）的方法，改善了注入振荡器需要进行修调的缺点，但是在DI和CI阶段会造成大量能量的浪费。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种快速起振的晶体振荡器电路，具有短启动时间、低启动功耗、频率稳定性好，并有较大的稳态输出摆幅。
一种基于多相注入振荡器的晶体振荡器电路，包括多相注入振荡器、开关矩阵、放大器和晶体；
其中，所述多相注入振荡器的多相激励信号输出端V 1、V 2……V n-1、V n与开关矩阵的多相激励信号输入端V 1、V 2……V n-1、V n相连接；所述开关矩阵的一个输入端外接控制信号CTRL；所述晶体的一端X IN 与放大器的输入端、开关矩阵的差分振荡信号输出端V P 相连接；所述晶体的一端X OUT 与放大器的输出端、开关矩阵的差分振荡信号输出端V n相连接。
进一步地，所述多相注入振荡器采用正交驰张振荡器，由两个驰张振荡器RXO I 和RXO Q 耦合而成，包括：第一与门AND1、第二与门AND2、第三与门AND3、第四与门AND4、第一SR触发器SR1、第二SR触发器SR2、第一比较器CMP1、第二比较器CMP2、第三比较器CMP3、第四比较器CMP4、第一放大器AMP1、第二放大器AMP2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一非门INV1、第二非门INV2、第三非门INV3、第四非门INV4、第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4、第五开关SW5、第六开关SW6、第七开关SW7、第八开关SW8、第九开关SW9、第十开关SW10、第十一开关SW11、第十二开关SW12、电容C I 、电容C Q 、电阻R I 、电阻R Q 、电阻R a 、电阻R b 、电阻R c 、电阻R d ，其中：
第一SR触发器SR1的输入端R与第一比较器CMP1的输出端相连接；第一比较器CMP1的反相输入端与第一电容C1的一端、第一电阻R1的一端、第二开关SW2的输入端、第三开关SW3的输出端相连接；第一电容C1的另一端与地GND相连接；第一开关SW1的输入端与第一电阻R1的另一端相连接，第一开关SW1的输出端与电源VDD相连接；第二开关SW2的输出端与地GND相连接；第一SR触发器SR1的输入端S与第二比较器CMP2的输出端相连接；第二比较器CMP2的反相输入端与第二电容C2的一端、第二电阻R2的一端、第五开关SW5的输入端、第六开关SW6的输出端相连接；第二电容C2的另一端与地GND相连接；第四开关SW4的输入端与第二电阻R2的另一端相连接，第四开关SW4的输出端与电源VDD相连接；第五开关SW5的输出端与地GND相连接；第一放大器AMP1的输出端与电容C I 的一端、第一比较器CMP1的同相输入端、第二比较器CMP2的同相输入端相连接；第一放大器AMP1的反相输入端与电阻R I 的一端、电容C I 的另一端相连接；电阻R I 的另一端与第三开关SW3的输入端、第六开关SW6的输入端相连接；第一放大器AMP1的同相输入端与电阻R a 的一端、电阻R b 的一端相连接；电阻R a 的另一端与电源VDD相连接、电阻R b 的另一端与地GND相连接；
第二SR触发器SR2的输入端R与第三比较器CMP3的输出端相连接；第三比较器CMP3的反相输入端与第三电容C3的一端、第三电阻R3的一端、第八开关SW8的输入端、第九开关SW9的输出端相连接；第三电容C3的另一端与地GND相连接；第七开关SW7的输入端与第三电阻R3的另一端相连接，第七开关SW7的输出端与电源VDD相连接；第八开关SW8的输出端与地GND相连接；第二SR触发器SR2的输入端S与第四比较器CMP4的输出端相连接；第四比较器CMP4的反相输入端与第四电容C4的一端、第四电阻R4的一端、第十一开关SW11的输入端、第十二开关SW12的输出端相连接；第四电容C4的另一端与地GND相连接；第十开关SW10的输入端与第四电阻R4的另一端相连接，第十开关SW10的输出端与电源VDD相连接；第十一开关SW11的输出端与地GND相连接；第二放大器AMP2的输出端与电容C Q 的一端、第三比较器CMP3的同相输入端、第四比较器CMP4的同相输入端相连接；第二放大器AMP2的反相输入端与电阻R Q 的一端、电容C Q 的另一端相连接；电阻R Q 的另一端与第九开关SW9的输入端、第十二开关SW12的输入端相连接；第二放大器AMP2的同相输入端与电阻R c 的一端、电阻R d 的一端相连接；电阻R c 的另一端与电源VDD相连接、电阻R d 的另一端与地GND相连接；
第一SR触发器SR1的输出端与第一与门AND1的一个输入端、第三与门AND3的一 个输入端相连接；第一SR触发器SR1的输出端Q与第二与门AND2的一个输入端、第四与门 AND4的一个输入端相连接；第二SR触发器SR2的输出端与第二与门AND2的另一个输入端、 第三与门AND3的另一个输入端相连接；第二SR触发器SR2的输出端Q与第一与门AND1的另一 个输入端、第四与门AND4的另一个输入端相连接；第一非门INV1的输入端与第四与门AND4 的输出端相连接；第二非门INV2的输入端与第三与门AND3的输出端相连接；第三非门INV3 的输入端与第一与门AND1的输出端相连接；第四非门INV4的输入端与第二与门AND2的输出 端相连接。
进一步地，所述第一SR触发器SR1的输出端Q输出的信号Q 1控制第三开关SW3的闭 合与断开；第一SR触发器SR1的输出端输出的信号Q 1n控制第六开关SW6的闭合与断开；第 二SR触发器SR2的输出端Q输出的信号Q 2控制第九开关SW9的闭合与断开；第二SR触发器SR2 的输出端输出的信号Q 2n控制第十二开关SW12的闭合与断开；第一与门AND1输出的信号控制第八开关SW8的闭合与断开；第二与门AND2输出的信号控制第十一八开关SW11的 闭合与断开；第三与门AND3输出的信号控制第五开关SW5的闭合与断开；第四与门AND4 输出的信号控制第二开关SW2的闭合与断开；第一非门INV1输出的信号控制第一开关 SW1的闭合与断开；第二非门INV2输出的信号控制第四开关SW4的闭合与断开；第三非门 INV3输出的信号控制第七开关SW7的闭合与断开；第四非门INV4输出的信号控制第十开关 SW10的闭合与断开。
本发明所述一种基于多相注入振荡器的晶体振荡器电路采用以上技术方案与现有技术相比，具有一下有益效果：本发明所设计基于多相注入振荡器的晶体振荡器电路，采用具有多相激励信号输出的新型驰张振荡器，利用开关矩阵对这些信号进行统一切换，将其输出到晶体进行能量注入，使晶体在短时间内快速起振，在保证低功耗的前提下，启动时间接近最小理论值，并且具有较大的稳态输出摆幅，解决了传统注入技术注入频率不准的问题。
附图说明
图1是本发明实施例中所述基于多相注入振荡器的晶体振荡器电路的顶层电路框图。
图2是本发明实施例中所述多相注入振荡器的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明实施例所设计的一种基于多相注入振荡器的晶体振荡器电路，包括：多相注入振荡器、开关矩阵、放大器和晶体，其中，所述多相注入振荡器的多相激励信号输出端V 1、V 2……V n-1、V n与开关矩阵的多相激励信号输入端V 1、V 2……V n-1、V n相连接；所述开关矩阵的一个输入端外接控制信号CTRL；所述晶体的一端X IN 与放大器的输入端、开关矩阵的差分振荡信号输出端V P 相连接；所述晶体的一端X OUT 与放大器的输出端、开关矩阵的差分振荡信号输出端V n相连接。
本发明实施例所设计的基于多相注入振荡器的晶体振荡器电路在实际的应用过程当中，其中多相注入振荡器电路进一步设计采用耦合的驰张振荡器，并针对耦合驰张振荡器进行了具体设计，如图2所示，所述多相注入振荡器采用新颖的正交驰张振荡器，由两个驰张振荡器RXO I 和RXO Q 耦合而成，包括：第一与门AND1、第二与门AND2、第三与门AND3、第四与门AND4、第一SR触发器SR1、第二SR触发器SR2、第一比较器CMP1、第二比较器CMP2、第三比较器CMP3、第四比较器CMP4、第一放大器AMP1、第二放大器AMP2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一非门INV1、第二非门INV2、第三非门INV3、第四非门INV4、第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4、第五开关SW5、第六开关SW6、第七开关SW7、第八开关SW8、第九开关SW9、第十开关SW10、第十一开关SW11、第十二开关SW12、电容C I 、电容C Q 、电阻R I 、电阻R Q 、电阻R a 、电阻R b 、电阻R c 、电阻R d ，其中：
第一SR触发器SR1的输入端R与第一比较器CMP1的输出端相连接；第一比较器CMP1的反相输入端与第一电容C1的一端、第一电阻R1的一端、第二开关SW2的输入端、第三开关SW3的输出端相连接；第一电容C1的另一端与地GND相连接；第一开关SW1的输入端与第一电阻R1的另一端相连接，第一开关SW1的输出端与电源VDD相连接；第二开关SW2的输出端与地GND相连接；第一SR触发器SR1的输入端S与第二比较器CMP2的输出端相连接；第二比较器CMP2的反相输入端与第二电容C2的一端、第二电阻R2的一端、第五开关SW5的输入端、第六开关SW6的输出端相连接；第二电容C2的另一端与地GND相连接；第四开关SW4的输入端与第二电阻R2的另一端相连接，第四开关SW4的输出端与电源VDD相连接；第五开关SW5的输出端与地GND相连接；第一放大器AMP1的输出端与电容C I 的一端、第一比较器CMP1的同相输入端、第二比较器CMP2的同相输入端相连接；第一放大器AMP1的反相输入端与电阻R I 的一端、电容C I 的另一端相连接；电阻R I 的另一端与第三开关SW3的输入端、第六开关SW6的输入端相连接；第一放大器AMP1的同相输入端与电阻R a 的一端、电阻R b 的一端相连接；电阻R a 的另一端与电源VDD相连接、电阻R b 的另一端与地GND相连接；
第二SR触发器SR2的输入端R与第三比较器CMP3的输出端相连接；第三比较器CMP3的反相输入端与第三电容C3的一端、第三电阻R3的一端、第八开关SW8的输入端、第九开关SW9的输出端相连接；第三电容C3的另一端与地GND相连接；第七开关SW7的输入端与第三电阻R3的另一端相连接，第七开关SW7的输出端与电源VDD相连接；第八开关SW8的输出端与地GND相连接；第二SR触发器SR2的输入端S与第四比较器CMP4的输出端相连接；第四比较器CMP4的反相输入端与第四电容C4的一端、第四电阻R4的一端、第十一开关SW11的输入端、第十二开关SW12的输出端相连接；第四电容C4的另一端与地GND相连接；第十开关SW10的输入端与第四电阻R4的另一端相连接，第十开关SW10的输出端与电源VDD相连接；第十一开关SW11的输出端与地GND相连接；第二放大器AMP2的输出端与电容C Q 的一端、第三比较器CMP3的同相输入端、第四比较器CMP4的同相输入端相连接；第二放大器AMP2的反相输入端与电阻R Q 的一端、电容C Q 的另一端相连接；电阻R Q 的另一端与第九开关SW9的输入端、第十二开关SW12的输入端相连接；第二放大器AMP2的同相输入端与电阻R c 的一端、电阻R d 的一端相连接；电阻R c 的另一端与电源VDD相连接、电阻R d 的另一端与地GND相连接；
第一SR触发器SR1的输出端与第一与门AND1的一个输入端、第三与门AND3的一个 输入端相连接；第一SR触发器SR1的输出端Q与第二与门AND2的一个输入端、第四与门AND4 的一个输入端相连接；第二SR触发器SR2的输出端与第二与门AND2的另一个输入端、第三 与门AND3的另一个输入端相连接；第二SR触发器SR2的输出端Q与第一与门AND1的另一个输 入端、第四与门AND4的另一个输入端相连接；第一非门INV1的输入端与第四与门AND4的输 出端相连接；第二非门INV2的输入端与第三与门AND3的输出端相连接；第三非门INV3的输 入端与第一与门AND1的输出端相连接；第四非门INV4的输入端与第二与门AND2的输出端相 连接；
第一SR触发器SR1的输出端Q输出的信号Q 1控制第三开关SW3的闭合与断开；第一 SR触发器SR1的输出端输出的信号Q 1n控制第六开关SW6的闭合与断开；第二SR触发器SR2 的输出端Q输出的信号Q 2控制第九开关SW9的闭合与断开；第二SR触发器SR2的输出端输出 的信号Q 2n控制第十二开关SW12的闭合与断开；第一与门AND1输出的信号控制第八开关 SW8的闭合与断开；第二与门AND2输出的信号控制第十一八开关SW11的闭合与断开；第三 与门AND3输出的信号控制第五开关SW5的闭合与断开；第四与门AND4输出的信号控制第 二开关SW2的闭合与断开；第一非门INV1输出的信号控制第一开关SW1的闭合与断开；第二 非门INV2输出的信号控制第四开关SW4的闭合与断开；第三非门INV3输出的信号控制第七 开关SW7的闭合与断开；第四非门INV4输出的信号控制第十开关SW10的闭合与断开。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
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