一種20M低相位噪聲晶體振蕩器的設計

摘要：設計了一種20M低相位噪聲晶體振蕩器。通過對振蕩原理的分析，選取了Santos結構的振蕩器進行設計。該晶體振蕩器由主振蕩電路、振幅控制電路兩部分組成，用標準的0．18 μm CMOS工藝實現(xiàn)，并通過Cadence平臺下的軟件進行仿真。結果表明，所設計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晶體振蕩器高相位噪聲性能的需要。
關鍵詞：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)需要一個高精度、低相位噪聲的頻率參考源。在實際的應用中，頻率參考源一般都采用振蕩器來實現(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。而為了節(jié)約成本，提高頻率綜合器輸入基準時鐘的相位噪聲性能，實現(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所趨。
本文采用SMIC0．18μm工藝設計了一種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現(xiàn)，可以作為整個射頻芯片的高精度頻率源。

1 電路原理及設計
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。按一定的方向將石英切成很薄的晶片，再將晶片兩個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的作用時會產(chǎn)生機械振動，當交變電場的頻率與石英晶體的固有頻率相同時，振動便變得很強烈，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)諧振兩個諧振點，在振蕩時晶體就工作在這兩個諧振點之間，表現(xiàn)為電感特性。