一种20M低相位噪声晶体振荡器的设计

摘要：设计了一种20M低相位噪声晶体振荡器。通过对振荡原理的分析，选取了Santos结构的振荡器进行设计。该晶体振荡器由主振荡电路、振幅控制电路两部分组成，用标准的0．18 μm CMOS工艺实现，并通过Cadence平台下的软件进行仿真。结果表明，所设计的晶体振荡器的相位噪声在偏离中心频率1kHz、10kHz、1MHz处的相位噪声分别为：-121dBc／Hz、-145dBc／Hz、-165dBc／Hz，性能比较理想，可以满足射频芯片对晶体振荡器高相位噪声性能的需要。
关键词：CMOS工艺；晶体振荡器；振幅控制；低相位噪声

0 引言
射频收发系统需要一个高精度、低相位噪声的频率参考源。在实际的应用中，频率参考源一般都采用振荡器来实现，高精度低相位噪声的晶体振荡器具有十分明显的优势。而为了节约成本，提高频率综合器输入基准时钟的相位噪声性能，实现射频收发系统的单芯片化，把晶体振荡器除晶体之外的部分都集成到片上就成了大势所趋。
本文采用SMIC0．18μm工艺设计了一种20MHz的晶体振荡器。该晶体振荡器由振荡主电路、振荡幅度控制电路两部分组成，具有较好的相位噪声性能和较低的功耗。除石英晶体外，振荡器电路全部集成在片上实现，可以作为整个射频芯片的高精度频率源。

1 电路原理及设计
1．1 石英晶的模型和原理
本文采用的谐振晶体是石英晶体。按一定的方向将石英切成很薄的晶片，再将晶片两个表面抛光涂银并引出管脚加以封装，就制成了石英晶体。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反映。石英晶体的电子模型如图1所示，是串并联的LRC电路，其阻抗表达式为：

RsLsCs组成串联谐振支路，决定了串联谐振频率，串联电阻Rs模拟晶体的等效电阻，Cp是晶体两块平板之间的电容，也包括了封装电容和焊接电容。
本文采用的20M晶体模型为：Ls=6．3mH，Cs=10fF，Rs=40Ω，Cp=5pF。
图1石英晶体的等效模型

图2表示的是晶体的频率特性，可以看到该晶体存在着串联谐振和并联谐振两个谐振点，在振荡时晶体就工作在这两个谐振点之间，表现为电感特性。