摘要 近年来，无线通信技术高速发展，对低成本、高精度、低噪声和集成化晶 体振荡器的需求迅猛增长。全集成的片上数控晶体振荡器(Digitally Controlled Crystal Oscillator,.以下简称DCXO),借助射频基站发送的频率校正信号而产 生的自动频率控制(Automatic Frequency Control,以下简称AFC)信号直接控 制电容阵列，克服频率随温度和时间的漂移，同时满足系统对频率精度的要求。 因此，DCXO以其易集成和低成本具有替代昂贵的压控式温度补偿品振 Voltage Controlled Temperature Compensated Crystal Oscillator,以下简称 VCTCXO)的巨大市场潜力。 本文针对DCXO的设计关键，从晶振的基本理论着手，分析了系统性能指 标，对构建DCXO系统的关键电路展开了详细的研究与设计。 首先，介绍国内外研究现状，提出了数控晶体振荡器相比传统的 TCXONCTCXO所具有的优势，以及实现DCXO的设计难点。 为实现设计目标，概述了几种晶体振荡器的结构，分析各自的优缺点。在 研究中，探讨了晶体谐振器的等效电路及衡量晶振性能的各项指标，分析了电 路的理想与非理想特性。 在此基础上，设计了基于Santos结构的晶振电路，给出了电路在起振阶段 的小信号分析和大信号稳态分析。对大信号情况下，振荡幅度，晶体参数，偏 置电流和器件尺寸之间的关系给出了量化的模型。电路引入了自动幅度控制来 平衡相位噪声和功耗。数控电容阵列的设计采用14位的分段译码电容阵列， 加入了一阶delta-sigma调制器来获得高精度的频率调谐。 最后，给出电路的流片测试结果。测试结果表明：DCXO芯片面积0.5 mm×0.8mm,功耗为1.8mW。DCXO振荡在25MHz时，在频偏为1kHz 和10kHz处的相位噪声分别为-139dBc/Hz和-151dBc/Hz。频率可调范围约 为35ppm,频率调谐精度0.04ppm。在温度-40℃~+80℃内，频率变化±7 ppm. 关键词：数控晶体振荡器，温度补偿式晶体振荡器，相位噪声，自动幅度控制， delta-sigma调制器，电源推动 中图分类号：TN432 本论文工作受到国家自然科学基金资助（项目编号：60876019）III 摘要 近年来，无线通信技术高速发展，对低成本、高精度、低噪声和集成化晶 体振荡器的需求迅猛增长。全集成的片上数控晶体振荡器(Digitally Controlled Crystal Oscillator，以下简称 DCXO)，借助射频基站发送的频率校正信号而产 生的自动频率控制(Automatic Frequency Control，以下简称 AFC)信号直接控 制电容阵列，克服频率随温度和时间的漂移，同时满足系统对频率精度的要求。 因此，DCXO 以其易集成和低成本具有替代昂贵的压控式温度补偿晶振 (Voltage Controlled Temperature Compensated Crystal Oscillator，以下简称 VCTCXO)的巨大市场潜力。 本文针对 DCXO 的设计关键，从晶振的基本理论着手，分析了系统性能指 标，对构建 DCXO 系统的关键电路展开了详细的研究与设计。 首先，介绍国内外研究现状，提出了数控晶体振荡器相比传统的 TCXO/VCTCXO 所具有的优势，以及实现 DCXO 的设计难点。 为实现设计目标，概述了几种晶体振荡器的结构，分析各自的优缺点。在 研究中，探讨了晶体谐振器的等效电路及衡量晶振性能的各项指标，分析了电 路的理想与非理想特性。 在此基础上，设计了基于 Santos 结构的晶振电路，给出了电路在起振阶段 的小信号分析和大信号稳态分析。对大信号情况下，振荡幅度，晶体参数，偏 置电流和器件尺寸之间的关系给出了量化的模型。电路引入了自动幅度控制来 平衡相位噪声和功耗。数控电容阵列的设计采用 14 位的分段译码电容阵列， 加入了一阶 delta-sigma 调制器来获得高精度的频率调谐。 最后，给出电路的流片测试结果。测试结果表明：DCXO 芯片面积 0.5 mm×0.8 mm，功耗为 1.8 mW。DCXO 振荡在 25 MHz 时，在频偏为 1 kHz 和 10 kHz 处的相位噪声分别为−139 dBc/Hz 和−151 dBc/Hz。频率可调范围约 为 35 ppm，频率调谐精度 0.04 ppm。在温度−40 ℃~+80 ℃内，频率变化±7 ppm。 关键词：数控晶体振荡器，温度补偿式晶体振荡器，相位噪声，自动幅度控制， delta-sigma 调制器，电源推动 中图分类号：TN432 本论文工作受到国家自然科学基金资助(项目编号：60876019)