20M低相位噪声晶体振荡器的设计

　　振荡器的核心振荡电路由M1、M2、C1、C2以及石英晶体组成。晶体管M1作为振荡主管，M2管作为偏置电流源，振荡器的输出在M1管的栅端。为了得到比较理想的频率偏移，C1、C2都取得比较大，分别为5p、10p。利用上节提到的负阻抗模型，对该电路进行分析，可得：

　　当振荡器起振之后，振荡波形幅度会不断增大，一直到振荡器件出现饱和为止。这期间可能会引起MOS管的击穿，因此需要设计一个振幅控制电路。本文设计的振幅控制电路由M3～M14组成。M4、M5是一对非对称差分管，M4的宽长比远大于M5，M3是它们的偏置电流源。由于直流偏置一样，这样在起振的时候M5的电流远小于M4，M8可以提供该电流，此时M9、M10关断只有很小的亚阈值电流。R3的电流只由M11、M12、M13、M14以及带隙基准组成的电流镜提供，M2的栅源电压VSG2=VDD-R3I11，所以M2能够提供较大的电流，使振荡器在较大的正反馈增益下迅速起振。

　　在起振之后输出电压振幅不断增大，M4、M5的反向交流电流也按尺寸比例分配，使通过两者的平均电流不断接近，当振荡幅度达到一定大小时，两个管子平分M3的电流。此时M8不足以提供M5的电流，M9就进入饱和态导通补足所需的电流，同样M10也导通，所以流过R3的电流增大变为I10+I11，M2的栅源电压变小，从而M2的电流下降，振荡器趋于稳定，输出幅度稳定下来。R3和C4决定振幅控制电路的时间常数，它的值太小会引入幅度波动，太大则会使响应过慢，需要进行折衷考虑。

　　相位噪声是晶体振荡器最重要的指标，它直接影响锁相环回路的工作性能，决定了芯片对射频信号接收与处理灵敏度，甚至决定了整个电路能否正常工作。通过仿真和分析可知，振荡器电路的主要噪声源是电流镜M11、M12、M13、M14的闪烁噪声，通过影响M2的栅源电压，把噪声传递到主振荡电路，从而影响振荡输出的相位噪声。因此本文提出在M2的栅端添加一个由R2、C3组成的RC滤波器，滤掉振幅控制电路的噪声，显著地提高相位噪声指标。选取R2、C3的值时，要综合考虑滤波器的带宽及电阻电容的面积。

　　晶振的输出缓冲级由隔直电容C5、自偏置结构R4、M15、M16、以及M17、M18、M19、M20组成的反相器链构成，可以得到全摆幅的方波输出。

2 电路版图及仿真

　　电路使用SMIC 0.18μm工艺实现，图5是该电路芯片的显微镜照片，面积约为550×185μm。

　　利用Cadence Spectre软件工具对晶体振荡器进行仿真，其输出波形如图6所示的方波，峰峰值为1.56V，起振时间约为0.6ms。图7表示的是振荡器的相位噪声性能，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。

　　对加RC滤波器之前的晶体振荡器进行仿真，起振时间振荡幅度都基本没有改变。但其相位噪声性能如图8所示，在偏离中心频率1kHz、10kHz、1MHz处的相位噪声分别为：-110dBc/Hz、-127dBc/Hz、-143dBc/Hz。

　　可见，滤波器显著提高了晶体振荡器的相位噪声性能，达到了设计的目的。