石英晶体振荡器是一种非常重要的频率源。由于石英晶体具有很高的品质因数和很小的接入系数,采用石英晶体设计的振荡器具有稳定度高、老化特性好等优点,被广泛应用于通信、雷达、导航等领域中。目前,国内的石英晶体振荡器主要采用分立元件组成三点式振荡电路。但随着科技的不断发展,工艺技术的不断成熟,通信和数字系统等领域中迫切需要可用集成工艺实现、高性能、低噪声的振荡器。因此设计一种低噪声集成石英晶体振荡器来替代常用的LC振荡器和集成压控振荡器显得尤为重要。首先,介绍了目前石英晶体振荡器的发展现状及本设计的意义。然后,讨论了核心元件石英晶体谐振器的物理性质和工作原理,研究常用的三点式振荡电路结构,交叉耦合振荡电路结构并比较各种结构的优缺点。接下来,对现有的相位噪声理论以及噪声模型进行了深入的研究,从放大器的噪声和谐振电路的噪声入手,进行公式推导和理论分析,并详细讨论了最常用的Leeson噪声模型,指导后续的低噪声振荡器设计。根据CMOS交叉耦合振荡器结构的功能需要,将振荡器电路划分为:偏置产生电路、主振电路和输出缓冲电路。参考已有的各种基准源结构,设计了能够在较宽的电压范围和温度变化范围内产生稳定电流,电压的带隙基准电路模块。针对集成电路工艺的特点,结合本文采用交叉耦合振荡器结构,改进相位噪声模型,完成本振荡器结构的低噪声设计。在主振电路的输出端加入折叠式共源共栅结构的缓冲电路,以隔离负载电路对频率稳定度的影响。整个电路的设计首先是进行理论分析,初步计算确定电路参数,再通过计算机电路仿真软件Cadence中的Spectre工具,对整个振荡电路进行仿真和验证,进一步优化各元件的电路参数。本设计采用的是台湾积体电路有限公司(TSMC)的TSMC 0. 18μm Mixed Signal工艺库进行仿真,使用Cadence中的版图工具Virtuoso完成各个模块的版图设计,通过DRC(Design Rule Check),LVS(Layout Verse Schematics )验证。仿真结果显示:采用标称频率为20MHz、AT切的晶体谐振器模型,电路在电源电压为3.3V,工作温度为27℃时,经过缓冲器输出的振荡信号频率为20MHz,峰峰值约为880 mV,总的相位噪声为? 132dBc /Hz@100Hz。本文中的石英晶体振荡器的性能优于普通晶体振荡器,满足设计要求。