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山东大学硕士学位论文 摘要 石英晶体振荡器为射频通信系统提供本振信号，为数字电路提供时钟，是通 信系统中的重要模块，一般由一个石英晶体，外接一个电路组成，电路的作用为 启振和频率调节，以达到稳定的周期信号。由于石英晶体的高品质因素和小接入 系数，因此设计好的外部电路能使其得到稳定的频率和很低的相位噪声。【l 】 d c x o ，全称数字控制石英晶体振荡器( d i g i t a l l y c o n t r o l l e dc 巧s t a lo s c i l l a t o r ) ， 是未来通信系统的主要趋势，目前应用最广的仍为精度不高的压控晶体振荡器 v c x o ，国内对d c x o 的研究还较少，因此对此的研究具有较高前瞻性。本设计 目的为制作适合新一代通信标准的晶体振荡器，论文对一般晶体谐振器的工作原 理和性能指标进行了概述，并介绍了主要的几种石英晶体振荡器，如压控、数控、 温控，对各种晶体振荡器的原理进行了分析，总结出晶体振荡器的启振原理、频 率控制方法和温度控制方法，并对功耗和相位噪声等进行了深入的理论分析。在 此基础上，依托国家两个演进第4 代通信标准t d l t e0 3 重大专项项目，根据 t d l t e 标准的要求，克服了新结构、新工艺、新通信标准的多重困难，设计了 一款低功耗低相位噪声3 8 4 m h z c o l p i t t s 结构的t c d c x o 电路，其设计集成了 温度补偿、数字频率调节、振幅控制等功能。其中振幅控制功能为降低功耗，电 容阵列调节频率既准确又稳定，温度稳定模块使d c x o 在指标要求的2 5 到 8 5 都能正常工作。 本设计采用的是t s m c 0 1 3 1 x mc m o s 工艺，电路的模拟部分：前仿真工具 为c a d e n c e 的s p e c t r e ，版图设计工具为c a d e n c e 的v i r t u o s o ，后仿真验证工具是 c a l i b r e 和a s s u r a 。数字部分：v e r i l o g 验证工具为m o d e l s i m ，综合工具为s y n o p s i s 的d c ，版图工具为e n c o u n t e r 。数模混合仿真工具为c a d e n c e 的s p e c t r e 。 论文主要分以下几部分展开： 首先，介绍石英晶体振荡器的主要原理，并根据t c d c x o 的指标要求论述 了各个模块的功能； 其次，详细描述了各个模块的原理和实现方法： 最后，分析了t c o d c x o 的测试结果，并给出结论。 本论文设计的3 8 4 m h z 低功耗低相噪t c d c x o ，实现了较低的相位噪声： 山东大学硕士学位论文 1 4 2 d b c ，h z l k h z , 1 4 3 d b c h z 1 0 k h z ，并有很好的温度稳定性从一2 5 c n9 5 c 频率的变化为1 6 p p m 。使用了数字控制电容模块调节频率，1 2 b i t 温度码控制2 5 5 个电容阵列的开关，并用一个吕调制器对另外一个开关进行- 调制对了数字 控制，是实现了瞬态频率调节步长，实现了频率稳定的调节。启振的时间为2 4 m s ， 电路总的功耗为3 m a 。 关键词：t c d c x o ；t d l t e ；温度补偿；数字频率调节；幅度控制；吕调制 分类号：t n 7 2 2 n 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ex - t a l ( c 巧s t a l ) o s c i l l a t o ri su s e dt o s u p p l y l o c a lo s c i l l a t i o nf o rr f c o m m u n i c a t i o ns y s t e m , o rr e f e r e n c ec l o c ks i g n a lf o r d i g i t a lc i r c u i t , 5 0i t i sa l l i m p o r t a n tp a r to fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i ti sa l w a y sc o m p o s e db yax - t a l ，ac i r c u i t f o rs t a r t i n go s c i l l a t i o na n df r e q u e n c ym o d u l a t i o n , s ot h a ti tc a no s c i l l a t es t e a d i l y w i t h as m a l la c c e s sc o e f f i c i e n ta n dah i g hq u a l i t yf a c t o r , t h ex - t a lc a ng e tav e r ys t e a d y s i g n a l 、航t l lal o wp h a s en o i s ei ft h eo u t s i d ec i r c u i ti sw e l ld e s i g n e d t h ed c x o ( d i g i t a l l yc o n t r o l l e dc r y s t a lo s c i l l a t o r ) i st h em a i nc h o i c eo ft h ef u t u r e a p p l i c a t i o n sf o ro s c i l l a t o r s n o wt h el o w e ra c c u r a c yv c x o s a r es t i l lu s e dw i d e l y , a n d t h e r ea r en o te n o u g he f f o r t so nd c x oi no u rc 0 1 i n l z y , s or e s e a r c h e so nd c x ow i l l m a k el o t so f n s e i nt h ei s s u e ，t h et h e o r yo ft h eo s c i l l a t o r sa n dt h ep e r f o r m a n c e i n d e xa 佗i n t r o d u c e d , a n dw ea l s oa n a l y z e dt h es o r t sa n dt h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo f o s c i l l a t o r s w eg o tt h ew a yo ff r e q u e n c ym o d u l a t i o na n dt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n , a n dt h ep o w e ra n dt h ep h a s en o i s ew e r ed i s c u s s e dp a r t i c u l a r l y f o r mt h e s e ，a n d 埘t h t h es u p p o r t so ft w oc o u n t r y sm a g n i t u d ei t e m s ，w ed e s i g n e dal o wp o w e ra n dl o w p h a s en o i s ec o l p i t t sd c x o f o rt d - l t ea p p l i c a t i o n ，w h i c hg o to v e rt h ed i f f e r e n c e so f n e ws t r u c t u r e ，n e wt e c h n o l o g ya n dn e ws t a n d a r d ，i n t e g r a t e dt h ef u n c t i o n so f a m p l i t u d ec o n t r o l ，f r e q u e n c ym o d u l a t i o na n dt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n , a n dt h ew o r k f r e q u e n c yw a s3 8 4 m h z i nt h i sd e s i g n , t h ea m p l i t u d ec o n t r o lw a su s e dt or e d u c et h e p o w e rc o n s u m p t i o n , a n dt h ef r e q u e n c yc o u l dm a k es u r et h eo s c i l l a t o rw o r k i n g s t e a d i l ya n da c c u r a t e l y , t h e nt h et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o ne x t e n d e dt h ew o r k i n g t e m p e r a t u r er a n g et o - 2 5 0 c t o8 5 0 c t h i sd e s i g nw a s i m p l e m e n t e di nt s m c 0 13 1 x mt e c h n o l o g y f o rt h ea n a l o gc i r c u i t , t h ep r e - s i m u l a t i o nt o o li ss p e c t r eo fc a d e n c e ，a n dt h el a y o u tt o o li sv i r t u o s o ，a n dt h e p o s t - s i m u l a t i o nt o o li sc a l i b r ea n da s s u r a f o rt h ed i g i t a lp a r t , t h ev e r i f i c a t i o nt o o li s m o d e l s i m , a n dt h es y n t h e s i z e ri sd co fs y n o p s i s ，a n dt h el a y o u tt o o li se n c o u n t e r t h em i xs i m u l a t i o nt o o li ss p e c t r e t h i si s s u ew i l lf o l l o wt h i ss c h e m e ： f i r s t , w ew i l li n n o d u c ct h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo ft h eo s c i l l a t o r s ，a n da n a l y z e d t h ep e r f o r m a n c ei n d e xo ft c - d c x o ； 山东大学硕士学位论文 t h e n , w ew i l ld i s c u s st h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l e sa n dt h ei m p l e m e n t a t i o nd e t a i l e d f i n a l l y , w ew i l lg i v et h es i m u l a t i o na n d t e s tr e s u l t s t h el o wp o w e ra n dl o w p h a s en o i s et c - d c x ow o r k i n ga t3 8 4 m h zo f t h i si s s u e g o tal o wp h a s en o i s e ，t h a ti s ：1 4 2 d b c h z l k h z , 1 4 3 d b c h z 1 0 k h z t h e f r e q u e n c yo n l ym o v e s1 6 p p mf r o m - 2 5 0 t o8 5 0 t h ed i g i t a lc o n t r o l l e dc a p a c i t a n c e a r r a yu s e s1 2 b i tt oc o n t r o l2 5 5c a p a c i t a n c ec e l l ，a n da 7 _ , - am o d u l a t o rc o n t r o l sa n o t h e r c e l lt og e ts m a l l e rf r e q u e n c ys t e p s a n dt h ep o w e r c o n s u m p t i o ni s3m a k e yw o r d s ：t c d c x o ；t d - l t e ；t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ；d i g i t a lc o n t r o l f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ；a m p l i t u d ec o n t r o l l e d ；7 _ , - am o d u l a t i o n 删：t n 7 2 2 i v 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 上世纪2 0 年代，随着通信行业的兴起，石英晶体振荡器便作为通信系统的 一个基本部件开始被人们大量研究。时到今日，石英晶体振荡器在各种电子系统 中有着大量的应用，如固定通讯、电子导航、雷达探测、无线通讯、程控电话、 测量仪器等，只要需要本振信号或者时钟基准的系统都离不开晶体振荡器，可以 说它是电子通信系统的脉搏。1 2 随着无线通讯技术的不断发展，移动通讯及手机的普及，各种通信标准陆续 推出，使得频谱资源越来越紧张。这就对晶体振荡器提出了更新、更高的要求， 主要表现在稳定频率、拓宽调频范围、提高线性度、降低功耗、抑制相位噪声、 节省成本等方面。在国防军事、航空航天方面，石英晶体振荡器的相对重要要求 为频率的稳定性、相位噪声以及宽温度范围内的稳定性【3 】，而对于民用特别是移 动通话方面，则偏重于是频率的稳定性、功耗、成本【4 】。随着中国提出t d 通信 标准，为使标准扩大影响力，必须设计与之匹配的硬件，保护我国的通信知识产 权，提高在此领域的国际话语权。1 5 】 1 2 设计背景 石英晶体振荡器在通信系统中的重要作用，可以从下图中看出： 翻嚯懈a u j * 一 图1 无线收发机的结构示意图及灵敏度计算【5 】 山东大学硕士学位论文 图l 【5 】为无线收发机的结构示意图，其中的d c x o 为系统的模拟射频部分 提供本振信号，为系统的数字部分提供时钟基准。顶部的公式为整个系统的灵敏 度计算公式，可见d c x o 对整个系统的噪底影响很大。 目前世界上的手机使用标准正在由传统2 g 向多媒体3 g 过渡，t d s c d m a 、 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 三大通信标准正在被各大运营商大力推广，成为运营商格 局转变的关键因素。其中我国自主提出的t d s c d m a 是我国为掌握核心技术、 保护国家知识产权的一项重大举措，它的下一代版本，即由3 g 向4 g 过渡的 t d l t e ( t d 标准长期演进计划，即通俗的3 9 g ) 目前正作为国家0 3 重大专项的 一部分由企业、高校和科研机构联合进行攻关。新标准及商业化的要求对功耗和 集成度的提出很大挑战，适应新标准的硬件系统能否符合商业化要求成为标准进 一步推进的关键。【6 】 石英晶体振荡器由石英晶体和启振电路两部分组成。石英晶体的压电效应使 晶体在外部启振电路的能量供给下可以产生稳定的频率输出，因此选用高q 值 的石英晶体对频率输出有决定性的作用。另外，启振电路的设计也影响输出频率 的稳定性和精度，并且设计良好的电路具有频率调节功能，可以使石英晶体能够 自适应环境的影响，使频率稳定在要求值附近。温度补偿模块和幅度控制模块可 以对晶体的输出减少温度的影响，降低功耗。 稳定度和精度差的振荡器会占用大量的频谱资源，并严重影响通信质量。在 石英晶体之前，人们采用l c 振荡器产生所需频率，但产生的频率稳定度和精确 度都不尽人意。 1 9 世纪末，居里夫妇发现了q s i 0 2 的压电效应，人们开始对使用石英产生 稳定频率进行研究。 2 0 世纪2 0 年代，英国人制作了世界上第一个石英晶体振荡器，频率稳定度 达到1 0 - 5 量级，比l c 振荡器的精度提高了1 0 倍。忉 到了3 0 年代，人们发现了具有优良频率温度特性的a t 、b t 切石英谐振器。 随后又相继研制出了c t 、d t 、e t 、f t 切石英谐振器。4 0 年代发现的g t 切温 度系数石英谐振器，为研制高稳定度晶振打下了基础。 5 0 年代，英国贝尔实验室的w a r n e r 研制成功了q 值高达5 x 1 0 6 的a t 切高 精度石英谐振器悼j 。 2 山东大学硕士学位论文 之后人们又研制出双转角i t 、r t 、f c 、s c 切谐振器。其中的s c 切谐振器 具有应力温度双重补偿的优良性能。 最近，法国b e s a n c o n 利用精密的工艺制作成功的无电极式谐振器b v a 石英 谐振器，由于消除了电极膜应力老化影响，降低了表面损耗，使q 值更高1 9 1 。其 频率稳定性已接近当前原子钟的水平。s c 切b v a 石英晶体是现在世界上最好的 晶体。u o , 1 1 】 优良的石英晶体需要设计良好的启振电路，但由于晶体振荡器频率随温度、 工艺、电压等变化而变化的，这使得启振电路的设计成为晶体振荡器面临的最大 问题，也是目前晶体振荡器的主要工作。 目前的晶体振荡器有频率调节控制方式的不同，主要分为时钟控制晶体振荡 器s p x o 、电压控制晶体振荡器v c x o 、恒温晶体振荡器t c x o 和数字控制晶体 振荡器d c x o 。s p x o 没有频率调节模块，是由晶体自行提供的频率，精度和稳 定度都不理想，v c x o 和t c x o 的频率控制分别由电压和温度来控制，由于分 别需要d a c 和温度槽，所以给集成化带来很大影响。d c x o 将内部自动频率调 节a f c 返回的数字控制字直接作用于电容阵列的开关，提高精度的同时也给集 成化带来了便利。 1 3 设计实现的目标 在民用移动通信标准中，基站采用蜂窝式的建设方式，在用户手机终端接收 信号时，必须根据基站的返回指令，即基站实时分配给用户的话音信道，来改变 用户终端的工作频率，然后建立语音连接，传输语音信号。其中完成这一功能的 就是手机内部收发机的频率综合器，简称频综。频综由锁相环p l l 、晶体振荡器、 自动频率控制系统a f c 组成，晶体振荡器为p l l 提供基准频率的信号，这个信 号通过p f d 来检测是否和v c o 经过分频器的信号同频同相，调节后，v c o 的 振荡产生输出的系统本振信号，它的频率即为晶体振荡器的信号频率与分频器分 频比的乘积。随着通信技术的发展，标准的进一步苛刻，对频率的稳定性和准确 度的要求越来越高。如在移动通信g s m 中，为了减少移动台之间或移动台与基 站间的相互干扰，要求频率稳定度优于0 1 p p m 。d x , 1 3 】 本设计是为国家0 3 重大专项2 0 0 9 z x 0 3 0 0 2 0 0 4 “i d l t e 终端射频芯片研 山东大学硕士学位论文 发”和2 0 1 0 z x 0 3 0 0 2 0 0 1 “t d l t e 终端射频预商用芯片研发”两个项目提供本振 信号和数字时钟，要求在满足芯片指标的同时，能进一步减小面积和功耗。 t d l t e 标准的关键技术优势在于频谱灵活，支持更多的频段，采用灵活的 带宽选择和双工方式，并达到更低的延迟( c p l 0 0 m s ，u p 5 m s ) ，提高了频谱的 利用率。这就要求本振信号要十分稳定，才能满足变频的精确，灵活的在不同频 段间转换，频率稳定度的要求为g s m 系统的1 0 倍左右，约为0 0 1 p p m ，同时低 延迟和双工方式对频率的调节要求十分精确，并有良好的启振速度。 芯片设计指标如表1 所示： 表l 芯片设计指标 指标中对频率的调节、温度稳定性和相位噪声作了详细的要求，即要求此芯片在 能满足频率调节精度高、对温度变化不敏感和低相位噪声的设计要求的同时，节 省芯片面积，降低功耗，以能更好的适应商业化量产的要求。 1 4 设计方法与途径 本设计要实现的目标难点在于把温度补偿、频率调节、相位噪声同时做到指 标能接受的范围，其中频率调节和相位噪声的要求比较苛刻，加上此次用的 4 山东大学硕士学位论文 0 1 3 p r o 工艺为较新型工艺，设计的难度比较大。作者在阅读大量国内外文献的 基础上，综合文献内容，并学习实验室以前设计的经验，在设计之前反复修改了 方案，设计将按照以下的步骤进行： ( 1 ) 首先根据电路要实现的功能，将总体电路规划为六个部分：主振荡电路， 振幅控制电路，温度补偿电路，频率调节电容阵列，- 调制，输出缓冲 级。其中吕调制为数字设计部分，其余为模拟部分。主振荡电路主要控 制频率输出和启振时间，保证晶体能够正常启动并有良好的响应时间；振 幅控制电路主要功能为限制输出信号的幅度，使之能更快速的稳定并降低 整个电路的功耗；温度补偿部分通过建立于温度相关的电容来保证电路的 频率受温度的变化在可接受范围内；频率调节电容阵列主要实现频率调节 的精度，保证a f c 反馈回的数字信号能快速的被转换成模拟量一电容， 进而调节振荡器的输出频率；吕调制为数字部分，能进一步保证调节的 精度，并节约了电路面积，但由于是数字电路，为保证其逻辑正确，在电 路中首先以v e r i l o g - a 的形式与其他模拟模块联合仿真，在其他模拟模块 确定后再做这一部分；输出缓冲级的主要作用为驱动后级电路并将输出信 号的占空比调节在5 0 。 ( 2 ) 其次建立各个模块的v e r i l o g - a 模型，将其联合仿真，验证功能实现的可 能性。 ( 3 ) 然后对各个模块进行详细的理论分析，根据已经确定的电路结构，用严格 的公式计算各指标的合理性和电路实现的可能性。对各个模块的电路进行 理论计算，指导电路晶体管参数的调节。对主振荡电路，利用振荡器的负 阻模型，分析晶体的启振条件，计算出主振荡电路振荡晶体管的最小增益， 利用振荡器反馈模型的相位平衡条件计算振荡器的振荡频率，并考虑寄生 电容对振荡器输出信号的频率稳定度的影响。对温度补偿电路，计算电容 变化对频率的影响，设计温控电容的大小，以抵消温度对晶体和其他电容 的影响。对幅度控制电路，要根据电路的负反馈原理，计算电路的增益及 反馈系数，并根据功耗确定电路最终的输出振幅；对频率调节电容阵列， 要根据指标要求的精度，结合d 调制器设计解码器和阵列，并慎重考虑 寄生电容的影响；输出电路则根据文献中的结构利用理想信号进行仿真验 5 山东大学硕士学位论文 证即可。在这些电路的设计和仿真中一定要详细考虑寄生，加寄生电容电 阻，争取使最终后仿真结果要好于前仿真。 ( 4 ) 电路模拟部分具体设计完毕后，绘制这些模块的版图，并用数字e d a 工 具将- 调制器后端实现。绘制版图时一定要详细考虑寄生，并合理规划 设计，使得到的版图美观、寄生低、面积小、功能实现可靠。 ( 5 ) 最后论文将给出设计的测试结果和总结，以便为以后的工作提供良好的参 考和教训防范。 论文章节安排如下： 第一章，绪论；简单介绍石英晶体振荡器技术的发展，以及次设计研究的目 的及意义；规划了整个设计的大体流程： 第二章，介绍了t d l t e 的标准和d c x o 原理，并对此次设计要用的 t s m c 0 1 3 t t m 工艺做了简介。对各个指标进行详细定义，并结合t d l t e 标准的 要求，为以后设计提供了概念原理性支持： 第三章，分析了电路各部分的原理，根据各部分要实现的目标参数，结合文 献和其他模块的联合考虑，给出电路具体设计的理论计算方法。 第四章，模拟电路的晶体管级实现，以及数字电路部分的编码和综合，并对 各部分详细仿真，联合后保证电路的可实现性。 第五章，电路的版图级实现，拼板后提取寄生参数，进行后仿真，并与前仿 真的结果对比，保证指标在可接受范围内： 第六章，完成芯片的测试，并给出测试结果和测试总结。 第七章，论文的结论部分，总结了论文的工作成果，回顾了本课题的研究工 作，并给出了此电路可改进之处。 6 山东大学硕士学位论文 第二章d c x o 通信原理和实现工艺概述 2 1t d l t e 通信标准简介 无线通信技术是按照其应用的无线通信标准为代而分的，像我们熟知的 g s m 、c d m a 即为第二代通信标准，目前的移动通信正处于由二代向三代过渡 的阶段，以我国为例，中国移动的t d s c d m a 、中国联通的w c d m a 、中国电 信的c d m a 2 0 0 0 都属于目前大力推广的三代标准主流。 l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n , 长期演进) 项目是3 g 的演进，是3 g 与4 g 技术之 间的一个过渡，即如图2 显示的3 9 g 的全球标准，它改进了3 g 的空中接入技术， 采用o f d m 和m i m o 作为其无线网络演进的必备技术，这种以o f d m f d m a 为核心的新标准被看作“准4 0 技术。在2 0 m h z 频谱的带宽下能够提供下行 1 0 0 m b i v s 与上行5 0 m b i f f s 的峰值速率，它改善了蜂窝系统中小区边缘用户的性 能，提高了小区的容量，降低了系统的延迟。1 6 】 图2 移动通信标准2 - 4 代示意图嫡1 l t e 包括f d d l t e ( 通常简称l 1 飞) 和t d l t e 两种技术标准。我国主导的、 拥有自主知识产权的下一代移动通信技术t d l t e ，即宣传中常说的t d s c d m a 的后续演进技术，在2 0 1 0 年1 0 月被国际电信联盟最终确定为第三四代移动通信 过渡( 3 9 g ) 的国际标准。 7 山东大学硕士学位论文 t d l t e 采用不对称频率是用时间进行双工的，而f d d 是采用一对频率来进 行双工。相比f d d l t e ，t d l t e 的优势在于频谱利用率高、对功控要求低、采 用智能天线和联合测试、无呼吸效应。但相比也有其缺点，具体表现为同步要求 高、码资源受限、干扰问题、移动速度慢。在实际应用中，通过1 0 年5 月上海 世博园和1 1 月广州亚运会的成功演示了高清晰度视频、即拍即传等新业务，取 得了比较理想的测试结果。【1 4 】 此次设计为国家0 3 重大专项2 0 0 9 z x 0 3 0 0 2 0 0 4 “t d l t e 终端射频芯片研 发”和2 0 1 0 z x 0 3 0 0 2 0 0 1 “t d l t e 终端射频预商用芯片研发”提供晶体振荡器， 目的为制作出适应t d l t e 通信标准要求，具有高稳定性、高频率调节精度的晶 体振荡器。 2 2d c x o 的主要性能指标 d c x o ，即数字控制晶体振荡器，其指标主要有： ( 1 ) 工作频率( o p e r a t i n gf r e q u e n c y ) 。晶体振荡器的功能即为提供稳定准确的频 率信号，它的工作频率主要是由石英晶体决定的，而其精度和可调节性是由外部 启振电路进行的。 ( 2 ) 动态频率调节范围( d y n a m i ct u n i n gr a n g e ) 。在通信过程中，晶体振荡器 输出的频率如果与基带要求的频率不同，那么系统中的自动频率控制系统a f c 就会反馈回d c x o 频率调节控制字，控制字作用于启振电路，晶体振荡器的输 出频率可以通过启振电路的电容变化进行调节，以达到和基带系统要求的频率一 致。由于精确的石英晶体成本很昂贵，宽的频率调节范围可以降低系统对石英晶 体的苛刻要求，达到节省成本的作用。d c x o 的动态调节范围与控制字的比特数 和电容单元的电容值成正比。1 1 3 ，1 5 l ( 3 ) 动态频率调节步长( d y n a m i cf r e q u e n c ys t e p ) 。动态频率调节步长即每开关 一个电容单元，d c x o 输出频率的变化大小。步长的大小决定着系统的精度， g s m 系统中要求基站与终端的频率差不得大于o 1 p p m l l 3 】，而t d - l t e 为其十分 之一左右，这就要求更高的精度、更小的步长【1 4 1 。通常电容阵列的开关都是通过 温度码或者二进制码进行控制，但这样需要的电容阵列面积很大，通过使用 调制方法，使得保证精度的同时又节省了芯片面积，大大降低了成本。 ( 4 ) 静态频率调节范围和步长( s t a t i ct u n i n gr a n g ea n ds t a t i cf r e q u e n c ys t e p ) 。静 8 山东大学硕士学位论文 态频率调节，主要针对由p c b 布线和晶体制作时产生的寄生效应，应用于工厂 生产阶段的校准。一般在芯片流片完毕后根据外部条件进行芯片性能的提高，这 样既降低了重复设计花费的成本，使晶体振荡器芯片能适应各种不同的环境又使 精度迸一步得到保证。 ( 5 ) 温度稳定性( f r e q u e n c yi n s t a b i l i t y v st e m p e r a t u r e ) 。石英晶体的固有频率会 受温度的影响，具体由其切割方式和材料决定。另外，启振电路中的器件也会随 温度有一定的偏差，进而影响频率。在设计电路前得到所用石英晶体的温度特性， 并考虑电路中器件随温度变化的因素，设置随温度变化的补偿可变电容，使 d c x o 的输出频率保持在正确的范围内。 ( 6 ) 相位噪声( p h a s en o i s e ) 。系统的噪声在输出端会引起幅度和相位上的扰动， 会使输出信号产生毛刺，并对过零点的稳定产生影响，这在时域中表现为时钟抖 动，在频域中表现为相位噪声。相位噪声通常是在频域定义的。对于一个工作频 率为石的理想振荡器，它的输出振荡信号在时域中表示为：1 o 2 a s i n ( 2 顽o t + o ) ， 其中a 和0 分别为振荡信号的幅度和初相。根据傅里叶变换，在频率域的频 谱是一个冲激函数，但是在一个实际的振荡器中，电路内部和外部的各种噪声会 对信号产生干扰，同时启振电路的品质因素不是无穷大的，即有一定的通频带宽， 所以实际的输出振荡信号的时域表达式为：v o 2 a ( t ) s i n ( 2 x f o t + o ) 式中的a ( t ) 和t 都是随机信号，分别为振荡信号的包络分量和相位分量的变化。因此输出信 号实际上是一个窄带随机信号，它的功率谱密度如图3 所示。 1 6 - i s 图3 相位噪声功率谱密度【1 明 山东大学硕士学位论文 将上述时域表达式变变换为频域表示，即对振荡器电路来说最重要的相位噪声， 定义为：在一个单位的频率偏移( 一般为1 h z ) 上噪声功率与载波信号功率的比 值。通常把它归一化为lh z 带宽，单位为d b c h z 。谐振电路的品质因子q 越大， 在其他因素不变的情况下，电路产生的噪声越小。实际电路中，振荡器一般都有 一定的限幅模块，所以实际振荡器中幅度的变化并不是十分明显，噪声的主要体 现为相位的变化。在设计振荡电路时，为了提高频率的瞬时稳定度，减小相位噪 声的最有效方式是提高启振电路的有载品质因子q 值，同时还要减小由于非线 性器件的作用，使幅度噪声向相位噪声转换。0 9 1 ( 7 ) 启振时间( s t a r t u p t i m e ) 。晶体振荡器的启振时间主要受主振荡电路增益影 响。根据负阻理论，晶体振荡器必须有足够大的负阻才能维持振荡不衰减，而负 阻的提供主要来自于主振荡电路的振荡管增益【2 0 1 ，所以提高主振荡电路的增益可 以减小启振时间，提高响应速度。但提高主振荡电路的增益会消耗更多的功耗， 因此在启振时间和功耗上要进行折中。 2 3t s m c 0 1 3 1 a m 工艺概述 台积电公司t s m c 于1 9 8 7 年成立，是全球第一家的专业集成电路制造服务 公司。身为业界的创始者与领导者，也是全球规模最大的专业集成电路制造公司。 现在模拟电路的主流工艺仍为0 18 1 u n ，以此工艺为m 核的射频模拟已经十分成 熟，并广泛应用在各方面。o 1 3 l u n 工艺由于其栅长小、电源电压低，有减小面 积、降低功耗、节省成本的优势。但由于其电源电压低，使得在设计时不能叠放 太多管子，m o s 管的过驱动电压和漏源电压也需要更仔细的设计，以保证管子 有良好的工作状态。 1 0 山东大学硕士学位论文 第三章d c x o 电路原理分析 3 1 石英晶体的等效电路 石英晶体的组成材料为a - s i 0 2 ，根据材料的压电效应，可以产生固定频率的 输出信号。晶体按照一定的角度和方法进行切割，并在切割出的石英片的两边镀 上银，从银层上引出引脚，并加上封装，就构成了石英晶体。0 9 1 疆扳 图4 石英晶体【1 9 1 晶体中间的平板压电电阻材料能够完成机械能和电能的转换，这种能量交换 在在一个特殊频率能够效率最高，称为谐振频率，切割出的晶体的尺寸对石英晶 体的谐振频率起决定性的作用，晶体片越薄，其固有振动频率越高。晶体的等效 电学模型如下图所示。c o 即晶体的并联电容，是由封装、焊接、寄生引起的，由 石英晶片的尺寸、电极以及p c b 寄生决定。l 、c 、r 是晶体模型的主体。晶体 的介电常数约为空气中的4 5 倍。【1 1 l r 上 口= l 弋 c 图5 晶体的等效电路 山东大学硕士学位论文 晶体频率的稳定性主要包括晶体频率的固有稳定性、温度稳定性、动态频率 稳定性。晶体的稳定性主要用晶体的q 值来定义，q 值越高，晶体的稳定性越好。 温度对输出频率的影响主要来源于对晶体机械形状的改变、负载电容的容值变 化、以及电路中m o s 管的非线性造成的。 3 2 石英晶体振荡器的工作原理 晶体振荡器的原理可以从反馈和负阻两种方式来分析。 一、 反馈分析。 晶体振荡器为一个不需要外部激励信号就能产生特定波形的交流输出信号 的系统，这种自激振荡的主要原理是由于正反馈网络将放大器的信号往复放大， 如图5 所示：1 2 l 】 图6 正反馈振荡原理f 2 l 】 图中，毛为基本放大器的输入端信源信号，毛为基本放大器输入端的净输入 信号，x - r 为反馈信号，三者之间的关系为： 耳= o + 薯 ( 1 ) 反馈网络的传输系数f 和基本放大器的放大倍数( 也称开环放大倍数) a 分 别定义为： f = x f | x o ( 2 、) 彳= 而而 ( 3 ) 此反馈放大器的闭环放大倍数定义为 1 2 山东大学硕士学位论文 a f = x o 毛 ( 4 ) 将前面三个式子带入此式得 a ，= 4 ( 1 一彳f ) ( 5 ) 上式如果满足 a f = l ( 6 ) 此时，闭环放大倍数a 的值将趋于无穷，这意味着图中的反馈放大环路中， 只要有一个无穷小的输人信源信号，便可有一定幅度的交流信号输出。实际上， 电路中存在的十分微弱电流噪声就足以充当这个无穷小的信源信号。也就是说， 基本放大器输人端上存在的微弱信号噪声会像普通信号一样被放大器放大，并在 合适的频率处产生一定幅度的输出信号。这个输出信号经过反馈网络的反馈产生 反馈信号，而反馈信号因为正反馈所以又作为更大的输人信号，被电路放大后产 生幅度更大的输出信号。经过这个网络的循环，稳定后形成的振荡信号输出这种 无需输入激励信源信号就能产生输出信号的现象即为自激振荡。当然这个自激振 荡消耗的能量要由电源补充，只不过它开始振荡不需要外部的能量供给。由此分 析上面的正反馈振荡原理图可以简化为下副2 1 】： 图7 振荡器的工作简图【2 1 1 由此可见一个放大器接一个正反馈网络，满足振荡条件时即可自激振荡，而 在外加一个选频网络即可特别放大其中的一个频率，得到固定频率固定波形的交 流信号输出。在晶体振荡器中，晶体作为正反馈网络和选频网络，而外加一个启 振电路作为放大器，即可得到想要的频率信号。 在晶体振荡器中，要维持等幅的自激振荡，基本放大器输入端的反馈信号必 须和原输人信号幅度相等，同时相位也应相同。即只有只有a f = l 时，电路才能 t 3 山东大学硕士学位论文 维持振荡根据振荡条件，信号由振荡器的输入端即反馈回路和放大器的结点开 始，沿环路绕行一周，必须保证其振幅与相位不变。一个振荡器必须同时满足振 幅和相位两个条件，才有可能产生自激振荡。 振荡器中的反馈支路常常采用电抗元件构成。当输出信号的频率确定以后， 这些电抗元件和输出信号信号的振荡频率共同决定了信号相移的大小。电路的启 振如果是由频率成分丰富的噪声引起的，那么总会有且只有其中的一个频率满足 相位平衡条件，被正反馈放大，有了噪声作为起始信号，电路不需要另外送入信 号，就能产生输出信号。 在自激振荡器中，起始瞬间的输入信号的产生来源有两个：一是在电路接通 电源时，由于电路各处都存在瞬时变化过程，在输入端的瞬变电流即可作为起始 输入电压；二是放大器电路中存在各种微小的电扰动和噪声电压。这两种原因所 取得的起始电压信号十分杂乱，为包含着极为丰富的各种频率分量的g l i t c h 信号 ( 它们中总会有符合相位条件的某个频率成分，最终成为自激信号的最初信源信 号) ，即满足了相位条件。至于振幅条件，只要保证开环放大倍数a 足够大，使 得启振条件a f l 的要求得到满足即可。 放大器获得初始瞬时输入电压后，为了保证电路在要求的频率上振荡，需要 为这种自激振荡器安排一个谐振在指定频率上的选频回路，使得电路能够在指定 的频率上满足产生自激振荡的条件。接着产生输出信号电压和正反馈电压，并且 经过晶体的选频后，指定频率的输出电压幅度增大，反馈电压的幅度也增大，经 过电路的正反馈、放大、再反馈、再放大的循环过程，使振荡电压的振幅逐渐建 立起来。 振荡器接通电源启振时，起始的输出信号可能很弱。这时，放大器工作在线 性放大区，信号不断被放大，其振幅逐渐增加，反馈信号的振幅也随之增加。它 们不断增大的原因主要是放大器的放大作用和正反馈。如果电路中没有振幅控制 系统，则当输出信号的振幅增大到一定程度后，由于晶体管的非线性，放大器中 的主振荡管将超出线性放大的工作范围，进人管子的饱和区或截止区，使得放大 器的放大倍数显著下降，使输出信号振幅的增大程度变缓。另一方面，能量的损 耗也使得输出信号振幅的增大速度变缓。由于振荡器消耗的能量来自电源，所以 电路中所能取得的能量有限度。当振荡器输出信号的幅度增大时，其电路各部分 1 4 山东大学硕士学位论文 的能量消耗也增大( 包括负载的功率输出) ，由于能量的供给有限，使电路的输出 振幅不可能无限增大。所以振荡器的振幅只能增大到一定程度，此后由于管子进 入饱和区使得振荡波形等幅输出。即晶体管的有限范围和电路能提供有限的能量 两个原因使得振荡器的输出幅度最终达到稳定。【2 1 】 二、负阻分析。 振荡器是一种反馈放大器，反馈信号即为维持振荡的能量供给。根据巴克豪 森判据，如果一个反馈系统的放大器部分用频率的函数表示为a ( j ) ，反馈部 分表示为f ( j t a ) ，必须保证环路增益a f i 。即在这个反馈系统中，a ( j t a ) 是 容性的，即随频率升高而增益变大，f ( j t o ) 是感性的，即随频率升高而增益减 小。 将巴克豪森判据用负阻分析法分析，放大器的阻抗表示为z a ，反馈部分谐 振阻抗z s 表示，当电路的两个阻抗相加之和为0 时，电路即可维持振荡。在晶 体振荡器中，将晶体作为反馈部分，计算晶体的阻抗和频率关系，可以用一个三 阶表达式下面公式表示口o 】： z 如) 2 忑石盈s 2 l c 亟+ s r = c + 甄1 s ( c 。+ c ) ( j 2 二c 二二+ ! c ! l _ o + s 二c 二二+ 2 c 尘o + 1 ) i z ( s ) l r 图8 晶体阻抗与频率1 2 0 1 在图中可以看出，在谐振点，a pz s = r 时，电感和电容的阻抗相等，即电路 在谐振点处只剩下了r 。谐振点附近零点五和尖峰靠的很近，这两个点分别 称为串联谐振点和并联谐振点，当忽略r 的大小时，两者可以写成公式( 8 ) 和 1 5 山东大学硕士学位论文 公式( 9 ) 的形式。 缈2 ：1 ( 8 ) q 。历 8 2 = 圭c 丢+ 寺 在两者之间，阻抗随频率的增大而增大，呈现感性，阻抗随频率的变化非常 陡峭，所以有很高的品质因子。由上边的分析可得，只要再在这个呈现感性的晶 体外部连一个容性的放大器使系统的环路增益大于1 ，即可组成一个晶体振荡器。 【2 0 画出晶体的频率响应曲线，即 彤l z 图9 晶体的幅频和相频响应曲线刈 由于串联谐振频率兀和晶体的固有谐振点离得很近，并对很难预计的封装 和焊接电容依赖很小，使晶体振荡器能有很好的频率稳定性和可预测性，所以我 们期望振荡器的工作频率能更靠近兀，但靠近晶体固有谐振点时会使电流很大， 所以依赖于我们选取的电流大小来尽量靠近兀。具体可以用牵引因子p 来衡量 工作频率和石的