论文部分内容阅读
由于GPS/GSM/3G/WLAN 等通讯技术的发展,对低成本、高精度、高稳定、集成化晶体振荡器的需求迅猛攀升。全集成片上数控晶振(Digitally Controlled Crystal Oscillator ,以下简称DCXO)，借助射频系统接收基站发送的频率校正信号而产生的AFC(Automatic FrequencyControl）信号直接控制电容阵列，对抗频率漂移，有替代昂贵TCXO/VC-TCXO的巨大潜力。
中国晶振产业规模庞大，但产值低下，亟需通过对高端晶振的研究提升附加值，实现产业升级，而3G和无线局域网的发展前景决定了DCXO的巨大价值。但目前，国内对TCXO的研究刚刚开始，尚无关于DCXO的文献。本文通过对CMOS 工艺晶体振荡器、自动振幅控制电路、数控电容阵列的设计及DCXO 调谐原理的研究，构建一个基本的DCXO 系统。在研究中，探讨了晶体谐振器等效电路模型及其理想与非理想特性，CMOS 工艺三点式振荡器结构与电路设计，Santos 型晶振在起振阶段的小信号分析与大信号稳态分析，非对称差分ALC 电路的设计与改进，晶振相位噪声及其优化，数控电容阵列整体和单元设计等等，特别是，建立了Santos XO 大信号模型，并借助该模型求出了晶体参数、目标振幅、偏置电流和器件尺寸等之间的确定数量关系，针对晶振电路设计的随意化倾向，发展了一种确定性方法，取代晶振电路设计传统中电路参数主要靠猜测、尝试的经验方法，在设计性能、功耗、面积时有更多的预先规划余地，其结论也可推广到其他种类的振荡器设计。
本设计基于TSMC0.18um Mixed/RF 1P6M CMOS 工艺，10MHz 晶体谐振器，采用改进的Colpitts(本文称之为Santos)振荡主电路，和一种不对称差分ALC(Automatic Level Control)电路，调谐目标范围和目标精度分别为±20ppm和0.1ppm/step的数控开关电容阵列；仿真结果表明，负载情况下，可取得峰峰值0.8V，相位噪声-117.6dBc/Hz@1kHz,-131.8dBc/Hz@10kHz，-167.1dBc/Hz@1MHz，总平均电流小于3.22mA。