一种用于温度补偿晶体振荡器的芯片设计

论文摘要

精确频率源是许多电子设备必不可少的组成部分,频率源性能的优劣直接关系到系统的可靠性。随着便携式电子产品的飞速发展,对频率源的要求也越来越高。普通晶体振荡器是最常用的频率源,但由于其振荡频率随温度变化呈近似的三次函数关系,它的应用范围受到了限制。为了获得宽温度范围的精确频率源,通常采用电路对其进行温度补偿。本文设计了一款温度补偿晶体振荡器(TCXO)芯片,该芯片只需外接一颗石英晶振便可构成TCXO,该芯片分为压控晶体振荡器和模拟温度补偿电路两个部分。其中的压控晶体振荡器的压控电容采用MOS可变电容,实现起来成本低。论文首先研究了石英晶体的特性及等效电路,讨论了TCXO的架构,提出了晶体振荡器频率随温度漂移的解决办法。接着利用HSPICE傅立叶分析的方法研究了MOS在大信号下的电容特性,并采用负电阻起振理论来分析电路起振原理,结合Matlab计算的结果设计了一个宽频率范围的压控晶体振荡器,通过分析和仿真,设计出的压控晶体振荡器压控范围可达±180 ppm,0.6 ms即可完成起振并产生稳定的输出频率,功耗为9 mW。模拟温度补偿部分能够使芯片产生连续的输出频率,本文详细讨论并设计了温度探测电路,带隙基准电路,三次方产生电路,加和电路,修调电路,测试电路。其中的带隙电路采用cascode结构,电源抑制比高。三次方电路采用CMOS工艺,成本低,功耗低。修调电路可对三次函数电压的温度拐点、三次项系数、一次项系数、晶体起振频率等参数进行调整,通过参数的调整,可对不同规格的晶体振荡器进行频率补偿,实现稳定的频率输出。在完成电路原理分析及电路子模块设计的基础上,本文接下来结合设计的VCXO电路讨论了模拟电路版图设计的一些注意事项,完成了其中的压控晶体振荡器部分的版图设计,并通过了后仿真。整个设计流程基于HSPICE仿真工具、Cadence集成电路设计环境。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 各种类型振荡器
• 1.3 TCXO 技术发展及市场应用
• 1.4 论文工作
• 2 石英晶体特性及TCXO 结构
• 2.1 石英晶体特性
• 2.2 石英晶体等效电路
• 2.3 TCXO 结构
• 2.4 小结
• 3 压控晶体振荡器
• 3.1 振荡器基本原理
• 3.2 晶体振荡器负电阻分析
• 3.3 可变电容
• 3.4 压控晶体振荡器的实现
• 3.5 小结
• 4 温度补偿电路
• 4.1 带隙基准电压源
• 4.2 一次方电压产生电路
• 4.3 三次方电压产生电路
• 4.4 加和电路
• 4.5 修调电路
• 4.6 小结
• 5 版图设计
• 5.1 VCXO 版图设计需注意的问题
• 5.2 实际版图设计及验证
• 6 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文