低相噪低功耗集成數(shù)控晶體振蕩器電路研究.pdf

1、石英晶體振蕩器是射頻通信系統(tǒng)和數(shù)字電路的重要集成模塊，由于其具有很高的空載品質因素和極小的接入系數(shù)，因此有很高的頻率穩(wěn)定度和很低的相位噪聲，從而可以提供很準確的時鐘信號基準。 石英晶體振蕩器在各種電子系統(tǒng)中已經(jīng)獲得了大量的應用。無線通訊技術的不斷發(fā)展，移動通訊及手機的普及，頻譜資源越來越緊張。隨著晶體振蕩器在通訊、導航、雷達、移動通訊、程控電話、測量儀表等電子設備中的應用，對晶體振蕩器提出了更新、更高的要求，集中表現(xiàn)在頻率穩(wěn)定度

2、高、調頻范圍寬、線性度優(yōu)、功耗低、相位噪聲低、成本更加低廉等方面。如何解決好晶體振蕩器頻率隨溫度、工藝、電壓等變化而變化的問題一直是工業(yè)界的熱門課題。 本論文概述了晶體諧振器的性能、工作原理，對壓控、數(shù)控晶體振蕩器的性能、工作原理進行了介紹，對晶體振蕩器的起振條件，自動增益負反饋環(huán)路和相位噪聲等進行了深入的理論分析，并在此基礎上提出了高穩(wěn)定度、低相位噪聲和低功耗的電路設計指導。在此基礎上，設計了一種適用于手機的、特別適合于CMO

3、S工藝集成電路實現(xiàn)的、新型的、采用自動增益負反饋控制電路穩(wěn)幅和數(shù)字電路控制電容陣列來調節(jié)瞬態(tài)頻率穩(wěn)定度的低功耗低相位噪聲26MHz Colpitts結構石英晶體振蕩器電路。它利用對工作溫度、電源電壓和制造工藝不敏感的帶隙基準源和在集成電路中元件特性之間匹配好的優(yōu)點產(chǎn)生了一個不隨溫度、電源和工藝改變而且可以跟蹤工藝變化的參考基準電壓，同時通過自動頻率控制環(huán)路(AFC)利用數(shù)字電路控制可變電容陣列控制瞬態(tài)頻率穩(wěn)定度，校正溫度、電源和工藝改變

4、對頻率的影響，從而可以在很寬的電源電壓范圍(2.7v-3.7v)和溫度范圍(-40℃-125℃)以及CMOS工藝參數(shù)變化(TT、FF、SS、SF、FS)的條件下提供幅度穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定的振蕩輸出信號。因為振蕩器的功耗與振蕩輸出信號的幅度成正比，這也就同時實現(xiàn)了電路的低功耗設計。在后端的版圖設計上提出了防止靜電放電擊穿，襯底耦合噪聲和CMOS閂鎖效應等特殊物理版圖措施。 本設計采用的是TSMC0.18μm-CMOS工藝模型，在理論分

5、析的基礎上初步計算確定了電路參數(shù)的大概范圍，最后通過大量的計算機仿真來進一步確定精確的電路參數(shù)。理論分析的工具是MATLAB，電路的計算機前仿真工具是Cadence的Spectre，ADS(Advanced Design Systern)，版圖設計工具是Cadence的Virtuos(DIVA)，后仿真驗證工具是Calibre(由Cadence公司提供)或Assura(由明導公司提供)，通過DRC(設計規(guī)則檢查)、LVS(原理圖與版圖比

6、較)、Antenna(天線效應檢查)、Density(金屬及多晶密度檢查)、Latch-up(閂鎖效應檢查)等各個驗證環(huán)節(jié)。 本論文設計的用于手機的集成26MHz數(shù)控晶體振蕩器(DCXO)，實現(xiàn)了很低的相位噪聲：-142.1dBc/Hz@1kHz，-146.3dBc/Hz@10kHz。設計了低壓差穩(wěn)壓器，在26MHz頻率隨電源電壓的變化是0.6ppm/v。設計了數(shù)字控制調節(jié)電路--14位的預失真電容陣列數(shù)模轉換(DAC)模塊，高