学校代码：10246 学号：11210720101 復大孥 硕士学位论文 差分结构数字控制晶体振荡器设计 院 系： 信息科学与工程学院 专 业： 集成电路工程 姓 名： 褚博 指导教师： 唐长文副教授 完成日期： 2013年4月25日
学校代码：10246 学 号：11210720101 硕 士 学 位 论 文 差分结构数字控制晶体振荡器设计 院 系： 信息科学与工程学院 专 业： 集成电路工程 姓 名： 褚 博 指 导 教 师： 唐长文 副教授 完 成 日 期： 2013 年 4 月 25 日
目录 图目录… …川 表目录… …V 摘要… VI Abstract.......................... …X 第一章概述…。 …1 1.1研究背景… …1 1.2论文研究的内容和贡献… …2 1.3论文组织结构… 3 第二章晶体振荡器概述… S 2.1晶体振荡器的分类… 5 2.2晶体谐振特性… 5 2.2.1晶体的压电特性… …6 2.2.2晶体的电学等效模型及品质因子…6 2.3振荡器的分析方法…9 2.3.1反馈系统分析… 9 2.3.2阻抗分离法…… 10 2.4常见晶体振荡器的结构 11 2.4.1单端晶体振荡器… 11 2.4.2差分晶体振荡器 14 第三章可变电容特性分析… …17 3.1可变电容的分类… …17 3.2可变电容特性分析 19 第四章相位噪声分析… …25 4.1相位噪声基本概念… 25 4.1.1振荡器中的相位噪声. 25 4.1.2相位噪声的影响… 27 4.2相位噪声的脉冲敏感函数分析法 28 4.2.1线性时不变分析…28 4.2.2线性相位时变分析…30 4.3相位噪声的矢量分析法…36 4.3.1振荡器的电流通路…36
I 目录 图目录 ··························································································· III 表目录 ··························································································· V 摘要 ···························································································· VII Abstract ······················································································· IX 第一章 概述 ···················································································· 1 1.1 研究背景············································································· 1 1.2 论文研究的内容和贡献 ··························································· 2 1.3 论文组织结构 ······································································· 3 第二章 晶体振荡器概述 ····································································· 5 2.1 晶体振荡器的分类 ································································· 5 2.2 晶体谐振特性 ······································································· 5 2.2.1 晶体的压电特性 ··························································· 6 2.2.2 晶体的电学等效模型及品质因子 ······································ 6 2.3 振荡器的分析方法 ································································· 9 2.3.1 反馈系统分析 ······························································ 9 2.3.2 阻抗分离法 ································································ 10 2.4 常见晶体振荡器的结构 ·························································· 11 2.4.1 单端晶体振荡器 ·························································· 11 2.4.2 差分晶体振荡器 ·························································· 14 第三章 可变电容特性分析 ································································· 17 3.1 可变电容的分类 ··································································· 17 3.2 可变电容特性分析 ································································ 19 第四章 相位噪声分析 ······································································· 25 4.1 相位噪声基本概念 ································································ 25 4.1.1 振荡器中的相位噪声 ···················································· 25 4.1.2 相位噪声的影响 ·························································· 27 4.2 相位噪声的脉冲敏感函数分析法 ·············································· 28 4.2.1 线性时不变分析 ·························································· 28 4.2.2 线性相位时变分析 ······················································· 30 4.3 相位噪声的矢量分析法 ·························································· 36 4.3.1 振荡器的电流通路 ······················································· 36
4.3.2噪声电流源到输出电压的传输函数…38 4.3.3非线性电路对幅度调制和相位调制的响应…39 4.3.4谐振电路对噪声电流源的响应…42 4.3.5白噪声源的分解… 45 4.3.6矢量分析法在振荡器中的应用 47 第五章差分晶体振荡器电路设计… 49 5.1设计指标分析… 49 5.2振荡器核心电路… 51 5.2.1核心电路结构 51 5.2.2大信号分析 55 5.2.3电流源偏置电路… 58 5.2.4数控开关电容阵列… 59 5.2.5输出级设计… 59 5.3版图及仿真结果 60 第六章总结与展望… 65 6.1总结… …65 6.2展望… 65 参考文献… …67 致谢… …71
II 4.3.2 噪声电流源到输出电压的传输函数 ·································· 38 4.3.3 非线性电路对幅度调制和相位调制的响应 ························· 39 4.3.4 谐振电路对噪声电流源的响应 ········································ 42 4.3.5 白噪声源的分解 ·························································· 45 4.3.6 矢量分析法在振荡器中的应用 ········································ 47 第五章 差分晶体振荡器电路设计 ························································ 49 5.1 设计指标分析 ······································································ 49 5.2 振荡器核心电路 ··································································· 51 5.2.1 核心电路结构 ····························································· 51 5.2.2 大信号分析 ································································ 55 5.2.3 电流源偏置电路 ·························································· 58 5.2.4 数控开关电容阵列 ······················································· 59 5.2.5 输出级设计 ································································ 59 5.3 版图及仿真结果 ··································································· 60 第六章 总结与展望 ·········································································· 65 6.1 总结·················································································· 65 6.2 展望·················································································· 65 参考文献 ······················································································· 67 致谢 ····························································································· 71
图目录 图1-1晶体振荡器类型及结构...… .2 图2-1晶体的电学等效模型 6 图2-2串联谐振、并联谐振阻抗的频率响应曲线7 图23谐振处的晶体阻抗的频率响应曲线 图2-4振荡器的正反馈模型 9 图2-5RLC并联电路的脉冲响应..... .10 图2-6振荡器的负阻模型。 11 图2-7(a)Pierce振荡器(b)Colpitts振荡器(c)Santos振荡器......12 图2-8(a)Santos振荡器电路(b)小信号等效模型.…。 .12 图2-9有源电路阻抗 13 图2-10阻抗Zc的极坐标表示.... .13 图2-11交叉耦合差分对管 .15 图2-12差分晶体振荡器 .15 ....… 图3-1(a)PN结电容结构(b)电容-电压特性 .17 图3-2PMOS电容及电容-电压特性 .18 图3-3反型MOS管电容及其电容-电压特性 19 图3-4累积型MOS管可变电容及其电容-电压特性 .19 图35不同偏置电压下的电容一电压特性曲线 20 图3-6振荡器的电路通路。 20 图3-7电容的符号函数形式 21 图3-8电容的电流-电压曲线 22 图4-1振荡器噪声时域、频域表示 25 图4-2振荡器的输出频谱.… 26 图4-3振荡器相位噪声的典型曲线。 27 图4-4接收机前端及信号下变频过程 28 图4-5电感电容振荡器线性等效模型 28 图4-6振荡器相位噪声示意图... 29 图4-7被电流脉冲激励的LC振荡器. 31 图4-8LC振荡器对冲击激励的相应 .32 图4-9SF等效系统 .33 公
III 图目录 图 1-1 晶体振荡器类型及结构 ......................................................................... 2 图 2-1 晶体的电学等效模型 ............................................................................ 6 图 2-2 串联谐振、并联谐振阻抗的频率响应曲线 ............................................. 7 图 2-3 谐振处的晶体阻抗的频率响应曲线 ........................................................ 8 图 2-4 振荡器的正反馈模型 ............................................................................ 9 图 2-5 RLC 并联电路的脉冲响应 ................................................................... 10 图 2-6 振荡器的负阻模型 .............................................................................. 11 图 2-7 (a) Pierce 振荡器 (b)Colpitts 振荡器 (c)Santos 振荡器 ...................... 12 图 2-8 (a)Santos 振荡器电路 (b)小信号等效模型 .......................................... 12 图 2-9 有源电路阻抗 ..................................................................................... 13 图 2-10 阻抗 Zc 的极坐标表示 ....................................................................... 13 图 2-11 交叉耦合差分对管 ............................................................................ 15 图 2-12 差分晶体振荡器 ................................................................................ 15 图 3-1 (a)PN 结电容结构 (b)电容-电压特性 .................................................. 17 图 3-2 PMOS 电容及电容-电压特性 .............................................................. 18 图 3-3 反型 MOS 管电容及其电容-电压特性 ................................................. 19 图 3-4 累积型 MOS 管可变电容及其电容-电压特性 ...................................... 19 图 3-5 不同偏置电压下的电容—电压特性曲线 .............................................. 20 图 3-6 振荡器的电路通路 .............................................................................. 20 图 3-7 电容的符号函数形式 .......................................................................... 21 图 3-8 电容的电流-电压曲线 ......................................................................... 22 图 4-1 振荡器噪声时域、频域表示 ................................................................ 25 图 4-2 振荡器的输出频谱 .............................................................................. 26 图 4-3 振荡器相位噪声的典型曲线................................................................ 27 图 4-4 接收机前端及信号下变频过程 ............................................................. 28 图 4-5 电感电容振荡器线性等效模型 ............................................................ 28 图 4-6 振荡器相位噪声示意图 ....................................................................... 29 图 4-7 被电流脉冲激励的 LC 振荡器 .............................................................. 31 图 4-8 LC 振荡器对冲击激励的相应 .............................................................. 32 图 4-9 ISF 等效系统 ...................................................................................... 33
图4-10器件噪声到相位噪声的转变 .35 图4-11振荡器的电流通路...… 37 图4-12噪声的旋转矢量表示 39 图4-13非线性电路模型.. 39 图4-14相位调制量的混频过程 40 图4-15非线性电路对噪声的调制.... .42 图4-16对振荡器施加外部电流激励..... 42 图4-17相位调制与幅度调制..… 44 图4-18幅度调制电流和相位调制电流对应的阻抗 45 图4-19周期性准稳态噪声.. .45 图4-20ω(0的傅里叶展开.... 46 图4-21矢量分解. .46 图5-1晶体的阻抗响应曲线.. 50 图5-2差分晶体振荡器核心电路 51 图5-3等效小信号电路图. 52 图5-4电路的环路增益和相位.. 53 图5-5核心电路的电源抑制比...… 54 图5-6振荡电压与沟道电流关系 55 图5-7(a)A类振荡器(b)C类振荡器。 56 图5-8NMOS管导通角与栅极直流电压偏置关系 57 图5-9电流源偏置电路 58 图5-10电源抑制仿真结果...… 58 图5-11(a)电容阵列(b)单位电容结构 59 图5-12电路输出级设计 60 图5-13电路整体版图.… 60 图5-14相位噪声仿真结果 61 图5-15频率调谐曲线 61 图5-16经过缓冲级后的瞬态波形 62 图5-17电源抑制比 62 图5-18频率牵引. 63 N
IV 图 4-10 器件噪声到相位噪声的转变.............................................................. 35 图 4-11 振荡器的电流通路 ............................................................................ 37 图 4-12 噪声的旋转矢量表示 ........................................................................ 39 图 4-13 非线性电路模型 ............................................................................... 39 图 4-14 相位调制量的混频过程 ..................................................................... 40 图 4-15 非线性电路对噪声的调制 ................................................................. 42 图 4-16 对振荡器施加外部电流激励.............................................................. 42 图 4-17 相位调制与幅度调制 ........................................................................ 44 图 4-18 幅度调制电流和相位调制电流对应的阻抗 ........................................ 45 图 4-19 周期性准稳态噪声 ............................................................................ 45 图 4-20 ω(t)的傅里叶展开 .............................................................................. 46 图 4-21 矢量分解 .......................................................................................... 46 图 5-1 晶体的阻抗响应曲线 .......................................................................... 50 图 5-2 差分晶体振荡器核心电路 ................................................................... 51 图 5-3 等效小信号电路图 .............................................................................. 52 图 5-4 电路的环路增益和相位 ....................................................................... 53 图 5-5 核心电路的电源抑制比 ....................................................................... 54 图 5-6 振荡电压与沟道电流关系 ................................................................... 55 图 5-7 (a) A 类振荡器 (b) C 类振荡器............................................................ 56 图 5-8 NMOS 管导通角与栅极直流电压偏置关系 .......................................... 57 图 5-9 电流源偏置电路 ................................................................................. 58 图 5-10 电源抑制仿真结果 ............................................................................ 58 图 5-11 (a)电容阵列 (b)单位电容结构 ........................................................... 59 图 5-12 电路输出级设计 ............................................................................... 60 图 5-13 电路整体版图 ................................................................................... 60 图 5-14 相位噪声仿真结果 ............................................................................ 61 图 5-15 频率调谐曲线 ................................................................................... 61 图 5-16 经过缓冲级后的瞬态波形 ................................................................. 62 图 5-17 电源抑制比....................................................................................... 62 图 5-18 频率牵引 .......................................................................................... 63
表目录 表3-1PMOS电容的工作区及其电容模型… 18 表5-126MHz晶体参数. 49 表5-2晶体规格参数… 50 表5-3不同频率下的相位噪声 63
V 表目录 表 3-1 PMOS 电容的工作区及其电容模型 ..................................................... 18 表 5-1 26MHz 晶体参数 ................................................................................. 49 表 5-2 晶体规格参数 ..................................................................................... 50 表 5-3 不同频率下的相位噪声 ....................................................................... 63
摘要 随着无线通信技术的不断发展，特别是移动通讯和无线手持设备的普及，频 谱资源变得越来越紧张，射频电路对基准频率源的准确性和稳定性的要求也越来 越高。石英晶体振荡器由于具有极高的品质因数，因此被广泛的用作手机、全球 定位系统、无线局域网等通信系统的基准频率源。 石英晶体自身的物理特性使得普通晶体振荡器不可避免的存在工作频率随 温度、晶体的老化而改变的现象，因此无法保证通信系统对频率长期稳定性的要 求，需要对其频率进行校正，即要求晶体振荡器具有实时调谐的功能。数字控制 晶体振荡器(Digitally Controlled Crystal Oscillator,以下简称DCXO)能够借助射 频基站发送的频率校正信号产生自动频率控制(Automatic Frequency Control, 以下简称AFC)信号调节晶体振荡器的工作频率，从而实现频率的校正。 本文论述了数字控制晶体振荡器的理论和实现，并对振荡器设计中的难点和 关键电路进行了详细的分析。 首先，本文简单的介绍了国内外晶体振荡器的研究现状，提出了差分结构晶 体振荡器所具有的优势，以及数字控制晶体振荡器实现过程中的设计难点。讨论 了晶体谐振器的电学等效模型，在此基础上分析了晶体振荡器的基本原理，给出 了衡量晶体振荡器性能的各项指标。介绍了射频电路中常用的可变电容类型，并 对CMOS可变电容进行了详细的分析。 其次，对三种相位噪声模型：线性时不变模型，非线性时不变模型和线性相 位时变模型进行了系统的分析和概括，并采用非线性时不变模型对DCXO的输 出噪声进行了分析。 最后，设计了工作在C类状态的差分结构数字控制晶体振荡器及其偏置电 路，给出了电路在起振阶段的小信号分析和稳态时的大信号分析。详细论述了在 TSMC0.18 um CMOS射频工艺上实现的数字控制晶体振荡器的电路结构及仿 真结果。 关键词：数字控制晶体振荡器，C类振荡器，相位噪声，开关电容阵列，自动频 率控制 中图分类号：TN4 VIl
VII 摘要 随着无线通信技术的不断发展，特别是移动通讯和无线手持设备的普及，频 谱资源变得越来越紧张，射频电路对基准频率源的准确性和稳定性的要求也越来 越高。石英晶体振荡器由于具有极高的品质因数，因此被广泛的用作手机、全球 定位系统、无线局域网等通信系统的基准频率源。 石英晶体自身的物理特性使得普通晶体振荡器不可避免的存在工作频率随 温度、晶体的老化而改变的现象，因此无法保证通信系统对频率长期稳定性的要 求，需要对其频率进行校正，即要求晶体振荡器具有实时调谐的功能。数字控制 晶体振荡器(Digitally Controlled Crystal Oscillator，以下简称 DCXO)能够借助射 频基站发送的频率校正信号产生自动频率控制(Automatic Frequency Control， 以下简称 AFC)信号调节晶体振荡器的工作频率，从而实现频率的校正。 本文论述了数字控制晶体振荡器的理论和实现，并对振荡器设计中的难点和 关键电路进行了详细的分析。 首先，本文简单的介绍了国内外晶体振荡器的研究现状，提出了差分结构晶 体振荡器所具有的优势，以及数字控制晶体振荡器实现过程中的设计难点。讨论 了晶体谐振器的电学等效模型，在此基础上分析了晶体振荡器的基本原理，给出 了衡量晶体振荡器性能的各项指标。介绍了射频电路中常用的可变电容类型，并 对 CMOS 可变电容进行了详细的分析。 其次，对三种相位噪声模型：线性时不变模型，非线性时不变模型和线性相 位时变模型进行了系统的分析和概括，并采用非线性时不变模型对 DCXO 的输 出噪声进行了分析。 最后，设计了工作在 C 类状态的差分结构数字控制晶体振荡器及其偏置电 路，给出了电路在起振阶段的小信号分析和稳态时的大信号分析。详细论述了在 TSMC 0.18 μm CMOS 射频工艺上实现的数字控制晶体振荡器的电路结构及仿 真结果。 关键词：数字控制晶体振荡器，C 类振荡器，相位噪声，开关电容阵列，自动频 率控制 中图分类号：TN4
Abstract Technological advancements in wireless communication made massive deployment and user adoption of cellular phones possible in the last decade. However the increase of subscribers asks for more efficient use of the limited spectrum resource,reference clock with high accuracy and stability is demanded.With the high quality factor of quartz crystal as the frequency selecting component,the crystal oscillators are widely used as clock references in communication systems such as cellular phones,global positioning systems(GPS)and wireless local area networks(WLAN). The frequency of crystal oscillators needs to be tunable as it can be influenced by the aging of crystal and environment temperature.Digitally controlled crystal oscillator(DCXO)is able to adjust its frequency by using the automatic frequency control (AFC)signal.The capacitor bank of oscillators switched to keep the oscillator work in desired frequency. In this thesis,the theory and practice of DCXOs are studied,difficulties in design is analyzed and circuit implement is carried out. Firstly,this thesis gives a brief review on the crystal oscillator research; proposed advantages of differentially-ended DCXO;analyzed the equivalent circuit of crystal oscillator and briefly introduces the fundamental theory of oscillators. Secondly,Three analysis methods of phase noise are studied:linear time invariant (LTI),nonlinear time invariant(NTI)and linear phase time varying (LPTV).A differentially-end DCXO is presented.Small and large signal analyses are given.With linear time invariant(LTI)modeling of phase noise, the phase noise of DCXO is calculated and optimized. Finally,the realization and simulation results of DCXO in TSMC 0.18 um RF CMOS process are given. Key Words:DCXO;switched capacitor array;Automatic Frequency Tuning; class C;phase noise
IX Abstract Technological advancements in wireless communication made massive deployment and user adoption of cellular phones possible in the last decade. However the increase of subscribers asks for more efficient use of the limited spectrum resource, reference clock with high accuracy and stability is demanded. With the high quality factor of quartz crystal as the frequency selecting component, the crystal oscillators are widely used as clock references in communication systems such as cellular phones 、 global positioning systems(GPS)、 and wireless local area networks(WLAN). The frequency of crystal oscillators needs to be tunable as it can be influenced by the aging of crystal and environment temperature. Digitally controlled crystal oscillator (DCXO) is able to adjust its frequency by using the automatic frequency control (AFC) signal. The capacitor bank of oscillators switched to keep the oscillator work in desired frequency. In this thesis, the theory and practice of DCXOs are studied, difficulties in design is analyzed and circuit implement is carried out. Firstly, this thesis gives a brief review on the crystal oscillator research; proposed advantages of differentially-ended DCXO; analyzed the equivalent circuit of crystal oscillator and briefly introduces the fundamental theory of oscillators. Secondly, Three analysis methods of phase noise are studied: linear time invariant (LTI), nonlinear time invariant (NTI) and linear phase time varying (LPTV). A differentially-end DCXO is presented. Small and large signal analyses are given. With linear time invariant (LTI) modeling of phase noise, the phase noise of DCXO is calculated and optimized. Finally, the realization and simulation results of DCXO in TSMC 0.18 μm RF CMOS process are given. Key Words: DCXO; switched capacitor array; Automatic Frequency Tuning; class C; phase noise
第一章概述 第一章概述 1.1研究背景 石英晶体振荡器由于频率稳定性高、成本低而被广泛的用作手机、全球定位 系统(GPS)、数字电视等通讯设备中的基准频率源，特别是近年来随着全球移动 通讯系统(GSM)、宽带码分多址(VCDMA)、无线局域网WLAN)等移动通信技术 的高速发展，使通讯系统对具有长期频率稳定性的高性能晶体振荡器的需求迅速 攀升。 由于石英晶体自身的压电特性使得石英晶体振荡器的谐振频率会随着温度 和晶体的老化而漂移。GSM和NCDMA通讯协议要求手持设备（如手机）与基站 在接收和发送数据时的频率偏差小于0.1ppm1],普通的晶体振荡器在没有反馈 补偿的情况下远远达不到这一要求。因此包括GSM在内的众多现代通讯协议都 具有频率校正信道(FCCH,Frequency Control Channel),基站通过FCCH持续 发送频率控制码(FCB,Frequency Control Burst)),在基站覆盖范围内的所有手 持设备通过检测此信号并产生相应的频率控制信号(AFC,Automatic Frequency Control))来校正工作频率。 压控式温度补偿晶振(VCTCXO)的频率校正方法是将频率控制信号经过数 字-模拟转换器(DAC)转换为模拟信号施加在模拟变容器件上，通过调节晶体振荡 器的负载电容来实现频率的精细调节。压控式温度补偿晶振因为具有长期频率稳 定性而在射频系统中得到了广泛的使用。 CMOS工艺和片上系统集成度的不断提高使得数字基带可以集成到片内， 为了降低成本，实现更高集成度的射频收发系统，更经济和直接的方法是将压控 式温度补偿晶振的功能集成到射频芯片中，除晶体外的所有器件整合到片内，由 频率控制信号直接控制数字电容阵列以实现晶体振荡器的调谐2][3]。 VCTRL DAC AFC Digital 4> Baseband Trim云 RF+ABB+DBB (a)VCXO结构及应用 1
第一章 概述 1 第一章 概述 1.1 研究背景 石英晶体振荡器由于频率稳定性高、成本低而被广泛的用作手机、全球定位 系统(GPS)、数字电视等通讯设备中的基准频率源，特别是近年来随着全球移动 通讯系统(GSM)、宽带码分多址(WCDMA)、无线局域网(WLAN)等移动通信技术 的高速发展，使通讯系统对具有长期频率稳定性的高性能晶体振荡器的需求迅速 攀升。 由于石英晶体自身的压电特性使得石英晶体振荡器的谐振频率会随着温度 和晶体的老化而漂移。GSM 和 WCDMA 通讯协议要求手持设备(如手机)与基站 在接收和发送数据时的频率偏差小于 0.1ppm[1]，普通的晶体振荡器在没有反馈 补偿的情况下远远达不到这一要求。因此包括 GSM 在内的众多现代通讯协议都 具有频率校正信道(FCCH，Frequency Control Channel)，基站通过 FCCH 持续 发送频率控制码(FCB，Frequency Control Burst)，在基站覆盖范围内的所有手 持设备通过检测此信号并产生相应的频率控制信号(AFC, Automatic Frequency Control)来校正工作频率。 压控式温度补偿晶振(VCTCXO)的频率校正方法是将频率控制信号经过数 字-模拟转换器(DAC)转换为模拟信号施加在模拟变容器件上，通过调节晶体振荡 器的负载电容来实现频率的精细调节。压控式温度补偿晶振因为具有长期频率稳 定性而在射频系统中得到了广泛的使用。 CMOS 工艺和片上系统集成度的不断提高使得数字基带可以集成到片内， 为了降低成本，实现更高集成度的射频收发系统，更经济和直接的方法是将压控 式温度补偿晶振的功能集成到射频芯片中，除晶体外的所有器件整合到片内，由 频率控制信号直接控制数字电容阵列以实现晶体振荡器的调谐[2][3]。 (a) VCXO 结构及应用
差分结构数字控制晶体振荡器设计 AFC DCXO aseband RF+ABB+DBB (b)DCXO结构及应用 图1-1晶体振荡器类型及结构 基于CMOS工艺的数字控制晶体振荡器应当满足以下性能指标：1)低相位 噪声，特别是低频偏处的相位噪声，CMOS工艺拙劣的1/f噪声使得低噪声的设 计变得较为困难：2)高频率精度，在实际应用中考虑到晶振的频率随时间和温 度的漂移以及自动频率控制环路的非理想性，频率偏差必须远低于0.1ppm:3) 宽的频率覆盖范围，在应用于诸如手机等射频领域时，晶体振荡器必须具有一个 较宽的频率调节范围以覆盖晶体和有源电路的频率漂移，频率覆盖范围可以根据 实际应用中可能出现的频率漂移的最大值来确定：4)高电源抑制比，使得电路 可以抑制来自电源的扰动，保证数字控制晶体振荡器的频率稳定性[4]。 1.2论文研究的内容和贡献 本文着重研究了射频收发机中常用的频率参考源一数控晶体振荡器电路，分 析了晶体的电学等效模型，给出了两种振荡器的分析方法，简单的介绍了几种常 见的振荡器结构，并对本次设计的差分结构数字控制晶体振荡器的各个模块进行 了详细的分析和设计。本文的主要贡献有： 1)介绍了晶体振荡器的两种分析方法，在此基础上设计实现了数字控制晶体 振荡器的核心电路结构：采用负阻分析的方法详细推导了核心电路在起 振阶段的小信号模型和稳态时的大信号模型。 2)对射频电路中常用的MOS管可变电容特性进行了详细的阐述，给出了可 变电容的大信号分析，并且推导出了当栅极为大幅度振荡信号时MOS 管电容的有效值。 3)对三种相位噪声模型：线性时不变模型，非线性时不变模型和线性相位时 变模型进行了系统的分析和总结，并采用非线性时不变模型对振荡器的 输出噪声进行了详细的分析。 4)在TSMC0.18-μn CMOS工艺下实际实现了一款低相位噪声，高精度的 数字控制晶体振荡器
差分结构数字控制晶体振荡器设计 2 (b) DCXO 结构及应用 图 1-1 晶体振荡器类型及结构 基于 CMOS 工艺的数字控制晶体振荡器应当满足以下性能指标：1）低相位 噪声，特别是低频偏处的相位噪声，CMOS 工艺拙劣的 1/f 噪声使得低噪声的设 计变得较为困难；2）高频率精度，在实际应用中考虑到晶振的频率随时间和温 度的漂移以及自动频率控制环路的非理想性，频率偏差必须远低于 0.1 ppm；3） 宽的频率覆盖范围，在应用于诸如手机等射频领域时，晶体振荡器必须具有一个 较宽的频率调节范围以覆盖晶体和有源电路的频率漂移，频率覆盖范围可以根据 实际应用中可能出现的频率漂移的最大值来确定；4）高电源抑制比，使得电路 可以抑制来自电源的扰动，保证数字控制晶体振荡器的频率稳定性[4]。 1.2 论文研究的内容和贡献 本文着重研究了射频收发机中常用的频率参考源—数控晶体振荡器电路，分 析了晶体的电学等效模型，给出了两种振荡器的分析方法，简单的介绍了几种常 见的振荡器结构，并对本次设计的差分结构数字控制晶体振荡器的各个模块进行 了详细的分析和设计。本文的主要贡献有： 1) 介绍了晶体振荡器的两种分析方法，在此基础上设计实现了数字控制晶体 振荡器的核心电路结构；采用负阻分析的方法详细推导了核心电路在起 振阶段的小信号模型和稳态时的大信号模型。 2) 对射频电路中常用的 MOS 管可变电容特性进行了详细的阐述，给出了可 变电容的大信号分析，并且推导出了当栅极为大幅度振荡信号时 MOS 管电容的有效值。 3) 对三种相位噪声模型：线性时不变模型，非线性时不变模型和线性相位时 变模型进行了系统的分析和总结，并采用非线性时不变模型对振荡器的 输出噪声进行了详细的分析。 4) 在 TSMC 0.18-μm CMOS 工艺下实际实现了一款低相位噪声，高精度的 数字控制晶体振荡器