一種基于憶阻器的快速起振晶體振蕩器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于憶阻器的快速起振晶體振蕩器，包括晶體諧振器、溫補網(wǎng)絡(luò)和振蕩電路模塊。其中振蕩電路模塊包括MOS或BJT等有源器件，電感、電阻、電阻等無源器件以及由m×n個憶阻器構(gòu)成的憶阻器網(wǎng)絡(luò)，利用憶阻器阻值連續(xù)可變的特性，通過調(diào)整憶阻器的阻值使振蕩電路模塊的等效負阻增加，從而有效減小晶體振蕩器的起振時間，減小了晶振電路設(shè)計的難度。
【專利說明】
一種基于憶阻器的快速起振晶體振蕩器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于集成電路領(lǐng)域，涉及晶體振蕩電路，具體為一種基于憶阻器、能夠快速 起振的晶體振蕩器。
【背景技術(shù)】
[0002] 晶體振蕩器作為穩(wěn)定的頻率基準(zhǔn)源，廣泛應(yīng)用于頻率控制和管理、實頻計量等領(lǐng) 域。性能良好的晶體振蕩器要求功耗低，相位噪聲小，頻率穩(wěn)定度高，起振時間小。
[0003] 圖1(a)是常見的帶有溫補網(wǎng)絡(luò)的晶體振蕩器的結(jié)構(gòu)框圖，包括晶體諧振器、溫補 網(wǎng)絡(luò)和振蕩電路模塊三部分。溫補網(wǎng)絡(luò)用于補償不同溫度下晶體振蕩器振蕩頻率的偏移， 提高頻率穩(wěn)定度;振蕩電路模塊為晶體諧振器提供負阻，補償晶體諧振器在振蕩過程中的 能量損失。
[0004] 圖1(a)所示的晶體振蕩器是一個閉環(huán)系統(tǒng)，其起振時間受電路結(jié)構(gòu)、集成電路工 藝、溫度、寄生參數(shù)以及電路設(shè)計的合理性等因素的影響。要使晶體振蕩器的起振時間小， 需要仔細設(shè)計整個閉環(huán)系統(tǒng)。同時，在帶有直接補償型溫補網(wǎng)絡(luò)的晶體振蕩器中，高溫時， 溫補網(wǎng)絡(luò)使晶體諧振器兩端等效的損耗電阻增加，導(dǎo)致晶體振蕩器的起振時間增加甚至不 能起振。另外，集成電路工藝的隨機性導(dǎo)致器件參數(shù)的不確定性，更加大了電路設(shè)計的難 度。
[0005] 晶體振蕩器的起振是一個非常復(fù)雜的過程，下面按照Vittoz提出的"負阻"分析方 法，結(jié)合附圖1具體說明。
[0006] 根據(jù)"負阻"概念和非線性電路分析原理，晶體振蕩電路中的振蕩電路模塊可以由 其在振蕩基頻處的等效阻抗Z。⑴表征，則帶有溫補網(wǎng)絡(luò)的晶體振蕩電路可以等效為圖1(b) 所示的結(jié)構(gòu)，其中Z m是晶體諧振器的動態(tài)阻抗;Lq、Rq、Cq分別是晶體諧振器的動態(tài)電感、動 態(tài)損耗電阻和動態(tài)電容;C T是不同溫度下晶體諧振器的負載電容;Z。⑴是振蕩電路模塊在基 頻分量下的等效阻抗;Rn是Z。⑴實部的絕對值。
[0007] 晶體振蕩器起振過程中，流過晶體諧振器的電流Ic由初始電流1〇逐漸增大到電路 穩(wěn)定振蕩時的電流1。 3，該過程中，由于振蕩電路模塊的非線性影響，振蕩電路模塊的等效阻 抗Z。⑴隨電流I。的增加逐漸減小。當(dāng)Z。⑴減小到其實部的絕對值匕與晶體諧振器的損耗電 阻Rq相等時，晶振電路達到穩(wěn)定振蕩狀態(tài)，起振完成。
[0008] 晶體振蕩器的起振時間是晶體諧振器的電流I。從初始電流1〇增加到電路穩(wěn)定振蕩 時電流Ics幅度的90%所需要的時間，為計算晶體振蕩器的起振時間，Yasuo Tsuzuk(Yasuo Tsuzuki，Takehiko Adachi and WJi en Zhang?Fast start-up crystal oscillator circuits，F(xiàn)requency Control Symposium，1995? 49th?)等對起振過程做了一定的簡化近 似，具體為：
[0009] 晶體振蕩器的起振過程分為三個階段:第一階段是從電源上電到振蕩電路模塊中 有源器件的偏置達到合適的直流偏置點。該過程持續(xù)時間h很短，流過晶體諧振器的電流 是初始電流1〇，不隨時間變化，其大小為
[0010] /(, = Wl(/ (1)
[0011] 其中，cq和Lq是晶體的動態(tài)電容和動態(tài)電感，Vt是上電后晶體諧振器兩端的初始電 壓。
[0012] 第二階段，晶體振蕩器的振蕩幅度很小，整個電路可以按照小信號電路的分析方 法分析，該過程持續(xù)時間很長。在該階段，晶體諧振器的電流從初始電流1〇按照指數(shù)形式增 加，時間常數(shù)為
?，即：
(2)
[0014]式中，I是流過晶體諧振器的電流，t是時間。則該階段所需要的時間^為：
(3)
[0016] 其中h為該階段結(jié)束時流過晶體諧振器的電流。
[0017] 第三階段，流過晶體諧振器的電流逐漸增加到穩(wěn)定振蕩時的電流1。3。該階段，晶振 電路的振蕩幅度很大，必須用非線性電路的分析方法分析整個電路，該過程所需要的時間 為t3。則晶振的起振時間t為
[0018] t = ti+t2+t3 (4)
[0019] 要使晶振能快速起振，必須減小t，由于第二階段在晶振電路的起振過程中持續(xù)時 間最長，一般通過減小第二階段的時間來減小晶體振蕩器的起振時間。Yasuo Tsuzuki等人 提出一種通過增加第二階段的初始電流1〇的大小來減小起振時間的方法，但是該方法只適 用于部分電路結(jié)構(gòu)特殊的晶振電路。
[0020] 以上分析表明，要減小晶振的起振時間，關(guān)鍵是要減小第二階段中的時間常數(shù)t〇。 一般，晶體振蕩電路的起振時間為7~15^。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021] 針對現(xiàn)有晶體振蕩器起振時間長，甚至在高溫時不起振的缺點，本發(fā)明利用憶阻 器的阻值連續(xù)可調(diào)的特性，提供了一種基于憶阻器的快速起振晶體振蕩器。該晶體振蕩器 能夠顯著增加從晶體諧振器兩端看進去的等效負阻的大小，從而有效減小了晶體振蕩器在 全溫度范圍內(nèi)的起振時間，減小了晶振電路設(shè)計的難度。
[0022] 晶體振蕩器起振過程中第二階段所需的時間〖2為：
(5)
[0024]式中，Lq，Rj別為晶體的動態(tài)電感和動態(tài)損耗電阻；1^ 1〇分別是晶振電路起振過 程中第二階段結(jié)束時的電流和初始電流;Rn是振蕩電路模塊提供的等效負阻。
[0025] 理論上，減小[^山為舊加匕丄都可以減小第二階段所需的時間匕實際中廣旦 選定晶體諧振器的型號，Lq，Rq就為定值;而10與晶振電路的結(jié)構(gòu)以及偏置電路相關(guān)，不易改 變;h主要由電路的結(jié)構(gòu)和有源器件的非線性特性決定，也不易改變。所以要減小晶振電路 的起振時間，就要增加振蕩電路模塊的等效負阻R n。
[0026] 進一步地，振蕩電路模塊負阻的大小與M0S或BJT等有源器件的參數(shù)，電容參數(shù)以 及憶阻器的阻值相關(guān)。理論上，可以通過調(diào)整M0S或BJT等有源器件的參數(shù)，以及調(diào)整電容等 無源器件的參數(shù)使晶振電路的起振時間最短，但是實際中M0S或BJT等有源器件的參數(shù)以及 集成的電容對工藝和溫度很敏感，電路設(shè)計階段不易控制；同時一些其它的寄生參數(shù)也對 起振時間有影響，加大了電路設(shè)計的難度。本發(fā)明一種基于憶阻器的快速起振晶體振蕩器， 對振蕩電路模塊負阻大小的控制可以通過調(diào)整憶阻器的阻值實現(xiàn)。負阻對憶阻器阻值心的 依賴性可以表示為：
[0027] Rn=f(Rm) (6)
[0028] 根據(jù)不同的半導(dǎo)體工藝情況，調(diào)整憶阻器的阻值Rm，使振蕩電路模塊負阻心達到最 大值Rn, max，從而晶體振蕩器的起振時間t達到最小值，即：
[0029] Rn=f(Rm>opt)=Rn>max (7)
[0030] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0031] -種基于憶阻器的快速起振晶體振蕩器，包括晶體諧振器、溫補網(wǎng)絡(luò)和振蕩電路 模塊組成的閉合回路；晶體諧振器用于產(chǎn)生振蕩信號，溫補網(wǎng)絡(luò)用于補償晶體諧振器的振 蕩頻率因溫度變化產(chǎn)生的偏移，振蕩電路模塊用于提供負阻，補償晶體諧振器在振蕩過程 中的能量損失;其特征在于:振蕩電路模塊由BJT或M0S等有源器件、電感電容等無源器件以 及憶阻器網(wǎng)絡(luò)組成，通過調(diào)整憶阻器的阻值使振蕩電路模塊的等效負阻增加，從而減小晶 振電路的起振時間。
[0032] 進一步地，所述憶阻器網(wǎng)絡(luò)由mXn個(m是憶阻器網(wǎng)絡(luò)的行數(shù)，n是憶阻器網(wǎng)絡(luò)的列 數(shù))憶阻器R^(i》l，j多1，叫彡〇4為行標(biāo)號，j為列標(biāo)號）經(jīng)過串并聯(lián)組成，在內(nèi)部擦寫電 路的控制下，滿足振蕩電路模塊對憶阻器阻值任意可變的要求。
[0033]本發(fā)明的有益效果為:振蕩電路模塊包括BJT或M0S等有源器件、電感電容等無源 器件以及由mXn個憶阻器組成的憶阻器網(wǎng)絡(luò)，利用憶阻器阻值連續(xù)可調(diào)的特性，通過調(diào)整 憶阻器的阻值，使振蕩電路模塊的負阻最大，從而減小晶體振蕩器的起振時間，實現(xiàn)方法簡 單，可操作性強；可以根據(jù)不同半導(dǎo)體工藝中BJT或M0S等有源器件的特性調(diào)整不同的憶阻 器值，工藝可重復(fù)性好；帶溫度補償網(wǎng)絡(luò)的晶體振蕩器由于溫補網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致高溫時晶體的等 效損耗電阻增加，起振困難或起振時間長，由于憶阻器器件的阻值可調(diào)性不受溫度的限制， 可以實現(xiàn)全溫度范圍內(nèi)晶體振蕩器的快速起振。
【附圖說明】
[0034] 圖1(a)是現(xiàn)有的帶溫補網(wǎng)絡(luò)的晶體振蕩電路結(jié)構(gòu)框圖，（b)是其等效電路圖；
[0035] 圖2是基于憶阻器的快速起振晶體振蕩器結(jié)構(gòu)框圖；
[0036] 圖3(a)是基于憶阻器的能夠快速起振的Colpitts晶體振蕩器，（b)是其等效電路 圖；
[0037] 圖4是Colpitts晶體振蕩器的等效負阻匕和起振時間隨憶阻器Rm變化的仿真結(jié)果。
【具體實施方式】
[0038] 本發(fā)明所述的一種基于憶阻器的快速起振晶體振蕩器適用于所有的晶振電路，并 不局限于某一種晶體振蕩電路，這里為方便說明，以Colpitts晶體振蕩電路為例，結(jié)合附圖 3和附圖4具體陳述本發(fā)明基于憶阻器實現(xiàn)晶體振蕩器快速起振的實施例。
[0039] 圖3(a)是基于憶阻器的能夠快速起振的Colpitts晶體振蕩電路，該電路由晶體諧 振器，溫補網(wǎng)絡(luò)和振蕩電路模塊三部分組成。溫補網(wǎng)絡(luò)用于補償晶體振蕩器因溫度變化產(chǎn) 生的頻率偏移，提高頻率穩(wěn)定度;振蕩電路模塊用于提供負阻。
[0040] 振蕩電路模塊由BJT管Q1，電阻Rb 1、Rb2，電容Cl、C2，憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm組成，其中電阻 Rbl和Rb2給BJT管Q1提供直流偏置，憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm和電容C1、C2組成反饋回路。下面結(jié)合其 等效電路分析影響振蕩電路模塊負阻的參數(shù)。
[00411晶振電路的復(fù)數(shù)振蕩方程為：
[0042] gmZiZ3+Zi+Z2+Z3 = 0 (8)
[0043]式中，Z^ZdPZs分別為BJT管Q1集電極與發(fā)射極、集電極與基集以及基集與發(fā)射極 之間的等效阻抗，8^是晶體管BJT的跨導(dǎo)。
[0044]根據(jù)附圖3(b)所示的等效電路，具體為：
(9)
[0046] 式中，1/jwCl是電容C1的阻抗。
(10)
[0048]其中，Xq為晶體的等效電抗，CT為溫補網(wǎng)絡(luò)的等效電容，l/jwCT是電容C T的阻抗。
(11)
[0050]其中，Ri為BJT管的輸入電阻，l/jwC2是電容C2的阻抗。所以方程(8)可以寫為：
(12)
[0052]式中，gmQ是BJT管在低頻處的跨導(dǎo)，f是頻率，fB是單位增益帶寬。令上式的實部為 零得到振蕩電路模塊的負阻為 (13)
[0054]可以看出，振蕩電路負阻的大小與BJT管在振蕩頻率處的跨導(dǎo)gm，輸入電阻心，電容 (：1丄2，偏置電阻肋1、肋2以及憶阻器網(wǎng)絡(luò)1^有關(guān)。
[0055] 理論上，可以通過選擇合適的BJT器件，從而調(diào)整參數(shù)gm和輸入電阻心，以及調(diào)整電 容Cl、C2的值，偏置電阻Rb 1、Rb2的值都可以使晶振電路的起振時間最短。
[0056]實際中BJT器件與選定的半導(dǎo)體工藝相關(guān)，可調(diào)的余地不大。電容C1、C2對相位噪 聲的影響很大，同時要實現(xiàn)電容可調(diào)需要電容陣列，占用的版圖面積大，成本高。另外，BJT 器件的參數(shù)和集成的電容對工藝和溫度很敏感，電路設(shè)計階段不易控制。集成電路制造過 程中其它的寄生參數(shù)也對起振時間有影響，更加大了電路設(shè)計的不確定性。
[0057]由于負阻是憶阻器網(wǎng)絡(luò)1和偏置電阻Rbl、Rb2的非線性函數(shù)，通過改變偏置電阻 Rbl、Rb2,憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm的值可以實現(xiàn)對負阻的控制。電路設(shè)計參數(shù)合理時，偏置電阻Rbl、 Rb2對負阻的影響不大。改變憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm的值可以改變負阻的大小。
[0058]負阻對憶阻器阻值的依賴性可以用函數(shù)表示為：
(14)
[0060] 根據(jù)不同工藝和不同溫度下8心心、(：1、02的實際值，調(diào)整心=1^_，使得：
[0061] /，(心）|',=〇 (15)
[0062] 尸(及",小_<0 (16)
[0063]貝孤=以仏,_)=1^?，，晶振電路的起振時間最小。
[0064] 憶阻器網(wǎng)絡(luò)Rm是由mXn個(m是憶阻器網(wǎng)絡(luò)的行數(shù)，n是憶阻器網(wǎng)絡(luò)的列數(shù))憶阻器 Rij(i彡1，j彡1，Rij彡0，i為行標(biāo)號，j為列標(biāo)號)通過串并聯(lián)組成，所有的Rij都大于零對應(yīng)于 mXn個矩陣組成的規(guī)則網(wǎng)絡(luò)，有等于零對應(yīng)于不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)。每個憶阻器內(nèi)部帶有擦寫 電路，可以很容易地實現(xiàn)阻值連續(xù)可調(diào)。
[0065] 圖4是圖3(a)基于憶阻器的能夠快速起振的Colpitts晶體振蕩電路的仿真結(jié)果， 仿真基于TSMC0.25um B⑶工藝，仿真時，晶體諧振器采用諧振頻率為10M時的等效參數(shù)，Rbl 為27k，Rb2為20k，Cl為130pF，C2為160pF，VCC為2.8V。圖4的仿真結(jié)果表明，當(dāng)憶阻器Rm較小 (50 Q)時，負阻Rn很?。?4.920)，此時由于晶振電路模塊不能補償晶體諧振器的能量損 失，晶體振蕩器不起振;隨著憶阻器Rm阻值不斷增加，負阻Rn增加，但是增加到一定值后，負 阻匕開始減小，起振時間也開始增加。可以看出改變憶阻器1的值可以有效的改變負阻的大 小和起振時間，且當(dāng)Rm=Rm, 〇Pt = 300 Q時，負阻達到最大值559.4 Q，晶振電路的起振時間達 到最小，為977us，相比于較小的1值（100 Q )時的起振時間（2.46ms)，減小了60.28%，效果 明顯。
[0066]以上實施例僅為本發(fā)明的基于憶阻器減小晶振電路起振時間的方法的電路實現(xiàn) 形式，本發(fā)明不僅限于Colpitts晶體振蕩電路，對于其他具體形式的晶振電路，本發(fā)明所述 的方法依然有效。凡在本發(fā)明的原理、準(zhǔn)則、精神及實現(xiàn)電路等范圍之內(nèi)做的任何修改、等 同替換、等效變化及改進，均應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于憶阻器的快速起振晶體振蕩器，包括晶體諧振器、溫補網(wǎng)絡(luò)和振蕩電路模 塊組成的閉合回路；晶體諧振器用于產(chǎn)生振蕩信號，溫補網(wǎng)絡(luò)用于補償晶體諧振器的振蕩 頻率因溫度變化產(chǎn)生的偏移，振蕩電路模塊用于提供負阻，補償晶體諧振器在振蕩過程中 的能量損失；其特征在于:振蕩電路模塊包括有源器件、無源器件以及憶阻器網(wǎng)絡(luò)，調(diào)整憶 阻器的阻值使振蕩電路模塊的等效負阻增加，從而減小晶振電路的起振時間。2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于憶阻器的快速起振晶體振蕩器，其特征在于:所述憶阻 器網(wǎng)絡(luò)由mXn個憶阻器Rlj經(jīng)過串并聯(lián)組成，在內(nèi)部擦寫電路的控制下，憶阻器網(wǎng)絡(luò)阻值任 意可變，其中m是憶阻器網(wǎng)絡(luò)的行數(shù)，η是憶阻器網(wǎng)絡(luò)的列數(shù)，i為行標(biāo)號，j為列標(biāo)號i多IJ Rij^O0
【文檔編號】H03L3/00GK105959000SQ201610255443
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月22日
【發(fā)明人】劉洋, 高寶玲, 劉偉忠, 王俊杰
【申請人】電子科技大學(xué)