謝海情 曾承偉 曾健平 賈新亮 王超 王龍 陳玉輝 李潔穎

摘 要：通過對相位噪聲進(jìn)行頻域分析，構(gòu)建Lesson噪聲優(yōu)化模型，優(yōu)化電路參數(shù)；并分析預(yù)抑制電路的小信號模型，優(yōu)化其元器件參數(shù)，研究帶RC濾波器的CMOS交叉耦合結(jié)構(gòu)振蕩器的相位噪聲和穩(wěn)定性.基于NUVOTON 0.35 μm工藝，采用Cadence完成電路設(shè)計、優(yōu)化與仿真，版圖設(shè)計與后仿真，并最終完成流片、測試.結(jié)果表明：在電源電壓為3.3 V時，該振蕩器的輸出信號頻率為20 MHz，相位噪聲分別為-135 dBc/Hz@1kHz，-156.4 dBc/Hz@10 kHz，-169.2 dBc/Hz@1MHz.當(dāng)電源電壓在±10%范圍變化時，頻率波動小于81×10-6；在工作溫度-25 ℃至85 ℃范圍內(nèi)，頻率波動小于71×10-6.

關(guān)鍵詞：石英晶體振蕩器；相位噪聲；穩(wěn)定度；預(yù)抑制

中圖分類號：TN432 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：By the frequency domain analysis of phase noise， the optimization model of Lesson noise was established and the parameters in the circuit were improved. Meanwhile， the small signal model was established to optimize the parameters in the presuppression circuit. In this way， the phase noise and stability were studied for the crosscoupled integrated quartz crystal oscillator with RC filter. Furthermore， the circuit and layout were designed， simulated and optimized by Cadence with NUVOTON 0.35 μm process. Subsequently， the fabrication and test were carried out under the supply voltage of 3.3 V. The results indicated that the frequency of output was 20 MHz and the phase noise of the oscillator can reach -135 dBc/Hz @ 1 Hz， 156.4 dBc / Hz @ 10 kHz， and 169.2 dBc/Hz @ 1 Hz， respectively. The ripple wave was less than 81 ppm and 71 ppm， respectively， with the variation of the supply voltage in the range of ± 10% and the temperature range from -25 ℃ to 85 ℃ .

Key words：quartz crystal oscillator； phase noise； stability； presuppression

時頻檢測與控制電路廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、通信、計量等領(lǐng)域中.晶體振蕩器作為參考頻率源，其精確度、穩(wěn)定度是影響系統(tǒng)性能的重要參數(shù)指標(biāo)[1].晶體振蕩器的短期頻率穩(wěn)定度在頻域內(nèi)的表征為相位噪聲，因此，晶體振蕩器的相位噪聲具有重要的研究意義[2].楊驍?shù)仍趥鹘y(tǒng)三點式振蕩器中增加增益控制環(huán)路，提高了振蕩器相位噪聲性能[3].唐路等人提出了一種PMOS差分結(jié)構(gòu)降低相位噪聲[4].Siwiec等人提出了一種雙反饋回路結(jié)構(gòu)降低相位噪聲[5].謝海情等人提出一種CMOS交叉耦合結(jié)構(gòu)的石英晶體振蕩器，并采用RC濾波和預(yù)抑制電路降低電路的噪聲[6-7].然而，在石英晶體振蕩器中，除晶體振蕩結(jié)構(gòu)外，電路中其他元器件的噪聲也會影響電路的相位噪聲.通過構(gòu)建電路的相位噪聲模型，可以優(yōu)化電路相位噪聲性能[8-9].在傳統(tǒng)的相位噪聲模型中，當(dāng)振蕩器工作在諧振頻率附近時，放大器的增益近似保持不變.因此，在分析晶體振蕩器接近載波頻率處的相位噪聲時會出現(xiàn)一定的偏差，且無法得到優(yōu)化RC濾波器的方法.另外，在相位噪聲模型分析中，無法構(gòu)建溫度、電源影響晶體振蕩器相位噪聲的模型.但是，溫度影響器件的跨導(dǎo)，電源電壓含有紋波，都會影響晶體振蕩器的相位噪聲，進(jìn)一步影響其穩(wěn)定性.

本文通過分析帶RC濾波的CMOS交叉耦合結(jié)構(gòu)石英晶體振蕩器的小信號電路，構(gòu)建其優(yōu)化相位噪聲模型，進(jìn)一步優(yōu)化電路參數(shù).另外，對預(yù)抑制電路的小信號電路進(jìn)行分析，優(yōu)化電路參數(shù)，提高對電源紋波的抑制作用.從而降低該振蕩器的相位噪聲，提高其穩(wěn)定度.最終完成流片測試.

1 振蕩電路相位噪聲的優(yōu)化模型

本文所研究的CMOS交叉耦合石英晶體振蕩器如圖1所示.其中，CMOS交叉耦合結(jié)構(gòu)等效為負(fù)阻，為振蕩器提供能量，并且該結(jié)構(gòu)具有低相位噪聲特性；R3、R4為共模反饋電阻，保證電路輸出穩(wěn)定的直流電平.輸出端分別接石英晶體的兩端，C3，C4為晶體的負(fù)載電容，與晶體形成諧振網(wǎng)絡(luò)；同時在PMOS對和NMOS對的輸出端加入RC高通濾波器，濾除電路中的低頻噪聲.

2.2 RC濾波器的優(yōu)化

振蕩器相位噪聲隨RC的變化曲線如圖5所示.由于截止頻率過低，RC電路的濾除噪聲有限，而截止頻率過高時，電路又難以起振.因此，RC掃描頻率范圍取10～20 MHz.再者，RC濾波器主要濾除的是低頻噪聲，因此，我們?nèi)≡贎100 Hz左右處的相位噪聲.

可以看出，截止頻率一定時，隨著電容的減小，相位噪聲性能略有下降，且幅度很小.考慮到版圖面積增大引入的噪聲耦合和寄生效應(yīng)，以及電阻大小對電路溫度穩(wěn)定性的影響，選取C=3 pF，R=5 kΩ.此時，RC高通濾波器的截止頻率約為10 MHz.

2.3 預(yù)抑制電路

電源的紋波也是電路的噪聲源之一，影響振蕩器的相位噪聲，進(jìn)而影響電路輸出頻率的穩(wěn)定性.因此，在電源通路上，增加預(yù)抑制電路抑制電源噪聲，如圖6所示.其中，M12寬長比很大，可以將VGS，12鉗位在閾值電壓附近，M9、M10、M11、M7、M8、M12和M13構(gòu)成反饋調(diào)節(jié)電路.當(dāng)M11、M12的偏置電壓增大時，通過反饋，VGS，M13將減小.C7和R7構(gòu)成密勒補償電路，使環(huán)路穩(wěn)定.該反饋環(huán)路的直流開環(huán)增益很大，從而將偏置電壓VREG鉗位到一個恒定的值.使得VREG隨電源電壓變化非常小.

4 結(jié) 論

本文通過對帶RC濾波器的CMOS交叉耦合結(jié)構(gòu)石英晶體振蕩器的相位噪聲進(jìn)行頻域分析，構(gòu)建其相位噪聲的優(yōu)化模型，并根據(jù)該模型優(yōu)化電路參數(shù).另外，分析預(yù)抑制電路的小信號模型，優(yōu)化其元器件參數(shù).通過電路優(yōu)化，降低該振蕩器的相位噪聲，提高頻率穩(wěn)定度.基于NUVOTON 0.35 μm工藝，完成電路設(shè)計、優(yōu)化和版圖設(shè)計，最終完成流片測試.當(dāng)電源電壓為3.3 V時，該振蕩器的輸出頻率為20 MHz，相位噪聲為135 dBc/Hz@1 kHz，-156.4 dBc/Hz@10 kHz，-169.2 dBc/Hz@1 MHz.當(dāng)電源電壓在±10%范圍內(nèi)變化時，頻率波動小于81×10-6；在-25 ℃至85 ℃工作溫度范圍內(nèi)，頻率波動小于71×10-6，可用作為穩(wěn)定的頻率信號源.

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