一種20M低相位噪聲晶體振蕩器的設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種20M低相位噪聲晶體振蕩器。通過(guò)對(duì)振蕩原理的分析，選取了Santos結(jié)構(gòu)的振蕩器進(jìn)行設(shè)計(jì)。該晶體振蕩器由主振蕩電路、振幅控制電路兩部分組成，用標(biāo)準(zhǔn)的0．18 μm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)Cadence平臺(tái)下的軟件進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的晶體振蕩器的相位噪聲在偏離中心頻率1kHz、10kHz、1MHz處的相位噪聲分別為：-121dBc／Hz、-145dBc／Hz、-165dBc／Hz，性能比較理想，可以滿足射頻芯片對(duì)晶體振蕩器高相位噪聲性能的需要。
關(guān)鍵詞：CMOS工藝；晶體振蕩器；振幅控制；低相位噪聲

0 引言
射頻收發(fā)系統(tǒng)需要一個(gè)高精度、低相位噪聲的頻率參考源。在實(shí)際的應(yīng)用中，頻率參考源一般都采用振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)，高精度低相位噪聲的晶體振蕩器具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。而為了節(jié)約成本，提高頻率綜合器輸入基準(zhǔn)時(shí)鐘的相位噪聲性能，實(shí)現(xiàn)射頻收發(fā)系統(tǒng)的單芯片化，把晶體振蕩器除晶體之外的部分都集成到片上就成了大勢(shì)所趨。
本文采用SMIC0．18μm工藝設(shè)計(jì)了一種20MHz的晶體振蕩器。該晶體振蕩器由振蕩主電路、振蕩幅度控制電路兩部分組成，具有較好的相位噪聲性能和較低的功耗。除石英晶體外，振蕩器電路全部集成在片上實(shí)現(xiàn)，可以作為整個(gè)射頻芯片的高精度頻率源。

1 電路原理及設(shè)計(jì)
1．1 石英晶的模型和原理
本文采用的諧振晶體是石英晶體。按一定的方向?qū)⑹⑶谐珊鼙〉木?，再將晶片兩個(gè)表面拋光涂銀并引出管腳加以封裝，就制成了石英晶體。這種石英晶體薄片受到外加交變電場(chǎng)的作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，當(dāng)交變電場(chǎng)的頻率與石英晶體的固有頻率相同時(shí)，振動(dòng)便變得很強(qiáng)烈，這就是晶體諧振特性的反映。石英晶體的電子模型如圖1所示，是串并聯(lián)的LRC電路，其阻抗表達(dá)式為：

RsLsCs組成串聯(lián)諧振支路，決定了串聯(lián)諧振頻率，串聯(lián)電阻Rs模擬晶體的等效電阻，Cp是晶體兩塊平板之間的電容，也包括了封裝電容和焊接電容。
本文采用的20M晶體模型為：Ls=6．3mH，Cs=10fF，Rs=40Ω，Cp=5pF。
圖1石英晶體的等效模型

圖2表示的是晶體的頻率特性，可以看到該晶體存在著串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振兩個(gè)諧振點(diǎn)，在振蕩時(shí)晶體就工作在這兩個(gè)諧振點(diǎn)之間，表現(xiàn)為電感特性。