基于堆叠式的低功耗FBAR振荡器电路及其工作方法

技术领域

本发明属于振荡电路技术领域，具体为一种低功耗、低相位噪声、面积小的振荡电路，尤其涉及一种基于堆叠式的低功耗FBAR振荡器电路及其工作方法。

背景技术

随着物联网的快速发展，对无线传感器节点提出了低功耗，低相位噪声，低成本的高要求。由于石英晶振尺寸大，加工过程困难，抗冲击和抗振动能力差已经无法满足无线通信系统的需求。因此一个精准度高，低功耗，低相位噪声的FBAR振荡电路尤为重要。

对于传统的Pierce振荡器，振荡器的功耗主要由反相器电路组成的负阻决定。因此对于Pierce振荡器的优化都局限于改进反相器降低功耗，例如让反相器中晶体管工作在弱反型区等技术，但是缺点在于稳定性差且不适合于高频频段，因此无法满足于无线通信中。

发明内容

有鉴于此，为了弥补现有技术的空白和不足，本发明的目的在于提供一种基于堆叠式的低功耗FBAR振荡器电路及其工作方法，克服了Pierce振荡器中功耗高，相位噪声性能差的缺点，且可集成度高。提供的基于堆叠式的低功耗FBAR振荡器电路包括：电源端口、电流产生电路单元和基于堆叠式核心振荡电路单元；电源端口，用于提供一个3.3V的电源电压；电流产生电路单元，用于产生一个与输入电源电压无关的电流；基于堆叠式基于堆叠式核心振荡电路单元，其中包括由负载电容C

本发明具体采用以下技术方案：

一种基于堆叠式的低功耗FBAR振荡器电路，其特征在于，包括：依次连接的：电源端口、电流产生电路单元和基于堆叠式核心振荡电路单元；所述电流产生电路单元用于产生与输入电源电压无关的电流；所述基于堆叠式核心振荡单元用于提供负阻用于补偿谐振回路的能量损耗。

进一步地，所述电源端口用于提供3.3V的电源电压；电路中MOS管的电源电压均为3.3V。

进一步地，所述电流产生电路单元采用Widlar电流镜结构。

进一步地，所述电流产生电路单元包括MOS管PM

进一步地，所述基于堆叠式核心振荡电路单元包括由负载电容和FBAR谐振器构成的Π型网络形式的带通滤波器，以及N阶反相器；所述N阶反相器为N个并联的反相器。

进一步地，所述N阶堆叠的反相器用于提供补偿谐振回路能量损失的负阻，所述Π型网络形式的带通滤波器用于提供180°相移和振荡所需的电压增益。

进一步地，所述N阶反相器中每一阶反相器都包括一个反馈电阻R

进一步地，所述Π型网络形式的带通滤波器包括：负载电容C

每一阶反馈电阻R

所述电流产生电路单元的产生电流输出端与第N阶反相器中的PMOS管的源极连接。

进一步地，所述电流产生电路单元产生的偏置电流I

其中，μ为NMOS晶体管的载流子迁移率，Cox为栅极氧化层的单位电容，(W/L)

若考虑沟道调制效应，则偏置电流I

其中，λ是沟道长度调制系数，V

进一步地，N阶反相器的跨导如下式所示：

其中g

所提供的负阻如下式所示：

其中，ω

与现有技术相比，本发明及其优选方案采用堆叠式Pierce结构的FBAR振荡器，结构复杂度不高，具有面积小，低功耗和低相位噪声等特点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1为本发明实施例偏置电流产生电路原理示意图；

图2为本发明实施例核心振荡电路原理示意图；

图3为本发明实施例基于堆叠式的低功耗FBAR振荡电路原理示意图；

图4为本发明实施例基本结构示意图。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

如图1-图4所示，本实施例提供的基于堆叠式的低功耗FBAR振荡器电路包括：依次连接的：电源端口、电流产生电路单元和基于堆叠式核心振荡电路单元；电流产生电路单元用于产生与输入电源电压无关的电流；基于堆叠式核心振荡单元用于提供负阻用于补偿谐振回路的能量损耗。

其利用反相器多阶并联使得每一阶的跨导g

本实施例中，振荡器的频率为1.93GHz，电源端口用于提供3.3V的电源电压；电路中MOS管的电源电压均为3.3V。

如图1所示，电流产生电路单元采用Widlar电流镜结构，用于提供一个与电源电压无关的偏置电流I

电流产生电路单元包括MOS管PM

如图2所示，基于堆叠式核心振荡电路单元包括由负载电容和FBAR谐振器构成的Π型(或称π型)网络形式的带通滤波器，以及N阶反相器；N阶反相器为N个相并联的反相器。

N阶反相器用于提供补偿谐振回路能量损失的负阻，Π型网络形式的带通滤波器用于提供180°相移和振荡所需的电压增益。

N阶反相器中每一阶反相器都包括一个反馈电阻R

作为优选，N＝4，Π型网络形式的带通滤波器包括：反馈电阻R

每一阶反馈电阻R

FBAR谐振器的两端分别与各耦合电容C

电流产生电路单元的产生电流输出端与第四阶反相器中作为输入端的MOS管PM

在本实施例中，电流产生电路单元产生的偏置电流I

其中，μ为NMOS晶体管的载流子迁移率，Cox为栅极氧化层的单位电容，(W/L)

若考虑沟道调制效应，则偏置电流I

其中，λ是沟道长度调制系数，V

核心振荡电路由N个反相器通过两个滤波电容CG和CD级联，每一阶反相器都包括反馈电阻R

其中g

无论是传统Pierce结构的振荡器还是堆叠式的振荡器都需要一个负阻用于给FBAR谐振器提供能量，本实施例所提供的所提供的负阻如下式所示：

其中，ω

假设NMOS管和PMOS管沟道长度相同即L

将式(2)带入式(4)并结合式(3)，有：

在不考虑温度，MOS管尺寸工艺差异等不良因素和相同电源电压的理想前提下，基于堆叠式的低功耗FBAR振荡器电路相较于传统Pierce结构振荡电路功耗减少了16倍。

值得注意的是，基于堆叠式的低功耗FBAR振荡电路中的阶数N并不是越多越好，需根据具体指标和预定电源电压大小所确定。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于堆叠式的低功耗FBAR振荡器电路及其工作方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。