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20M低相位噪声晶体振荡器的设计

作者:时间:2012-02-16来源:网络收藏

本文采用SMIC0.18μm工艺设计了一种Hz的。该由振荡主电路、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:

  

e.JPG

  RsLsCs组成串联谐振支路,决定了串联谐振频率

f.JPG

,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

  

g.JPG

  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。

1.2 的基本原理

  晶体振荡器的实现方式有很多种,最常见的是三点式结构,如图3。

  

g.JPG

  根据巴克豪森准则,采用负阻模型来分析振荡的启动条件:一个振荡器如果要起振,所有的阻抗之和必须小于等于0。对于晶体振荡器来说,工作在振荡频率时,除晶体之外的其余电路必须表现为一个负阻以补偿晶体的串联电阻Rs。

  Zs表示的是晶体的串联支路的阻抗,Zc为其余电路阻抗之和,满足振荡的临界状态为:Zs+Zc=0,

  

i.JPG

  由此可以得到能起振的gm的最小值。

  根据晶体接入点偏置点的不同,晶体振荡器可以分为皮尔斯(Pierce)振荡器、科尔皮兹(Colpitts)振荡器、桑托斯(Santos)振荡器三种结构。本文设计的晶体振荡器采用的是Santos结构。Santos结构中晶体从主振荡管的栅端接入,由于是单端接入,所以可以节约引脚,另外Santos结构也比较容易起振。

  1.3 具体电路设计


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关键词: 20M 低相位 噪声 晶体振荡器
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