低相噪低功耗集成数控晶体振荡器电路研究

论文摘要

石英晶体振荡器是射频通信系统和数字电路的重要集成模块,由于其具有很高的空载品质因素和极小的接入系数,因此有很高的频率稳定度和很低的相位噪声,从而可以提供很准确的时钟信号基准。石英晶体振荡器在各种电子系统中已经获得了大量的应用。无线通讯技术的不断发展,移动通讯及手机的普及,频谱资源越来越紧张。随着晶体振荡器在通讯、导航、雷达、移动通讯、程控电话、测量仪表等电子设备中的应用,对晶体振荡器提出了更新、更高的要求,集中表现在频率稳定度高、调频范围宽、线性度优、功耗低、相位噪声低、成本更加低廉等方面。如何解决好晶体振荡器频率随温度、工艺、电压等变化而变化的问题一直是工业界的热门课题。本论文概述了晶体谐振器的性能、工作原理,对压控、数控晶体振荡器的性能、工作原理进行了介绍,对晶体振荡器的起振条件,自动增益负反馈环路和相位噪声等进行了深入的理论分析,并在此基础上提出了高稳定度、低相位噪声和低功耗的电路设计指导。在此基础上,设计了一种适用于手机的、特别适合于CMOS工艺集成电路实现的、新型的、采用自动增益负反馈控制电路稳幅和数字电路控制电容阵列来调节瞬态频率稳定度的低功耗低相位噪声26MHz Colpitts结构石英晶体振荡器电路。它利用对工作温度、电源电压和制造工艺不敏感的带隙基准源和在集成电路中元件特性之间匹配好的优点产生了一个不随温度、电源和工艺改变而且可以跟踪工艺变化的参考基准电压,同时通过自动频率控制环路（AFC）利用数字电路控制可变电容阵列控制瞬态频率稳定度,校正温度、电源和工艺改变对频率的影响,从而可以在很宽的电源电压范围（2.7v—3.7v）和温度范围（-40℃—125℃）以及CMOS工艺参数变化（TT、FF、SS、SF、FS）的条件下提供幅度稳定、频率稳定的振荡输出信号。因为振荡器的功耗与振荡输出信号的幅度成正比,这也就同时实现了电路的低功耗设计。在后端的版图设计上提出了防止静电放电击穿,衬底耦合噪声和CMOS闩锁效应等特殊物理版图措施。本设计采用的是TSMC 0.18μm-CMOS工艺模型,在理论分析的基础上初步计算确定了电路参数的大概范围,最后通过大量的计算机仿真来进一步确定精确的电路参数。理论分析的工具是MATLAB,电路的计算机前仿真工具是Cadence的Spectre,ADS（Advanced Design System）,版图设计工具是Cadence的Virtuos（DIVA）,后仿真验证工具是Calibre（由Cadence公司提供）或Assura（由明导公司提供）,通过DRC（设计规则检查）、LVS（原理图与版图比较）、Antenna（天线效应检查）、Density（金属及多晶密度检查）、Latch—up（闩锁效应检查）等各个验证环节。本论文设计的用于手机的集成26MHz数控晶体振荡器（DCXO）,实现了很低的相位噪声:-142.1dBc/Hz@ikHz,-146.3dBc/Hz@10kHz。设计了低压差稳压器,在26MHz频率随电源电压的变化是0.6ppm/v。设计了数字控制调节电路——14位的预失真电容阵列数模转换（DAC）模块,高9位由温度码控制,低5位为∑△调节控制模块,通过5位∑△控制模块来控制DAC模块中的最后一个滑动温度码控制单元,在整个123ppm的调整范围保证了～0.0075ppm/step的瞬态频率稳定度,实现了频率稳定的调节。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 晶体振荡器的发展概括
• 1.3 石英晶体振荡器在超低成本手机中的应用
• 1.4 本课题研究的重要意义
• 1.5 研究方法和途径
• 1.6 论文结构
• 第二章 晶体谐振器
• 2.1 晶体振荡器分类
• 2.2 晶体谐振器的工作原理和温度特性
• 2.3 晶体等效电路及电抗特性
• 第三章 晶体振荡器原理
• 3.1 振荡器设计原理
• 3.2 手机中的晶体振荡器及其原理
• 3.3 数控晶体振荡器（DCXO）概述
• 第四章 低压差稳压器（low dropout voltage regulation）的设计
• 4.1 低压差线性稳压器概述
• 4.2 低压差线性稳压器的主要参数
• 4.3 低压差稳压器内部结构设计
• 4.4 本论文设计的低压差线性稳压器拓扑结构及性能
• 第五章 一种新型DCXO电路的设计
• 5.1 晶体振荡器的稳定性参数
• 5.2 DCXO电路结构
• 5.3 主振荡网络
• 5.4 数控变容网络
• 5.5 摆幅控制网络
• 5.6 偏置及缓冲输出网络
• 第六章 结论
• 6.1 DCXO版图及仿真测试结果
• 6.2 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间完成的学术论文
• 致谢