（电路与系统专业论文）数字式温补晶体振荡器中的压控振荡电路的设计.pdf

摘要 摘要 晶体振荡器作为现代通信，精密计测仪器等领域的频率基准源，起到至关重 要的作用。由于作为振荡器选频回路的石英晶体谐振器具有很高的品质因数和极 小的接入系数，因此在高频率稳定度与低相位噪声应用场合，晶体振荡器是作为 频率基准的最佳选择。然而在移动通信，计测等领域中，晶体振荡器的频率稳定 度受温度变化的影响很大，因此需要加额外的补偿电路来提高频率稳定度。现阶 段，由于数字式温度补偿晶体振荡器具有很高的补偿精度，并具有体积小，功耗 小，可靠性高等优点，使之广泛应用于超大规模集成电路成为可能。 数字式温度补偿晶体振荡器的设计主要分为数字温补电压形成电路的设计与 压控石英晶体振荡电路的设计，本论文主要对后者进行了研究设计。在分析和总 结多种压控晶体振荡电路的基础上，给出了适合本设计最优方案。设计主要分为 三个部分：石英晶体振荡电路设计、压控电路设计与偏置电路设计。石英晶体振 荡电路为桑托斯( s a n t o s ) 结构的晶体振荡电路，采用自动增益控制的外稳幅方法稳 定其振荡幅度，有效减小了失真，提高了频率稳定度，输出频率1 0 m h z ，为单端 口输出，节约了制造成本。此外论文对晶体振荡器的起振条件，自动增益负反馈 环路的工作原理，频率稳定度和相位噪声进行了深入的理论分析。设计采用a t 切 晶体谐振器，根据其频率温度特性对晶体振荡器的影响，设计了变容二极管微调 频电压控制电路；并给出了补偿电压的理论算法，使其频率牵引范围覆盖晶体振 荡器频率随温度变化的范围，补偿后的温度频差为5 2 5 x 1 0 7 一4 0 8 06 c 。在偏置 电路设计中，为了达到更高的指标要求，采用一阶与指数阶曲率补偿的高精度带 隙基准电压源，使其具有更低的温度系数与更高的电压抑制比，基准电压被一个 运放和一个电阻转换成电流，从而又构成高电源抑制比的电流基准源。 在完成了对上述划分单元结构的仿真后，给出了压控晶体振荡电路的版图设 计，并在最后指出设计中存在的问题及原因，给出了进一步的解决办法。 关键词：压控石英晶体振荡电路，相位噪声，自动增益控制，温度频差，曲率补 偿带隙基准源 a b s t i 矾c t a bs t r a c t x - t a lo s c i l l a t o r sp l a ya l li m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l do fm o d e r nc o m m u n i c a t i o na n d p r e c i s i o nm e a s u r i n gi n s t r u m e n t s ，e t c t h ea c c e s sc o e f f i c i e n to fa l lx t a li sv e r ys m a l l a n di t sq u a l i t yf a c t o ri sv e r yh i 曲w h e n e v e ra l la p p l i c a t i o nr e q u i r e sp r e c i s ed e f i n i t i o n o fo s c i l l a t i o nf r e q u e n c ya n d l o wp h a s en o i s e ，a nx - t a lo s c i l l a t o ri st h eb e s tc a n d i d a t e 。 h o w e v e r , i nt h ef i e l do fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n , p r e c i s i o nm e a s u r i n g , e t c s t a b i l i t yo f o s c i l l a t o ri ss oc r i t i c a lt h a td e v i a t i o no ff r e q u e n c yd u et ot e m p e r a t u r ev a r i a t i o nc a u s e sa s e r i o u sp r o b l e m t oi m p r o v ea c c u r a c yo ff r e q u e n c y , c o m p e n s a t i o nc i r c u i t ss h o u l db e a d d e dt ox - t a lo s c i l l a t o r r e c e n t l y , d i g i t a lt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nx - t a lo s c i l l a t o r ( d t c x o ) i sp o p u l a rb e c a u s eo fi t sa c c u r a t ec o m p e n s a t i o na b i l i t y , s m a l ls i z e ，l o w p o w e rd i s s i p i t i o n , a n dh i 曲r e l i a b i l i t y , w h i c hm a k ei tw i d e l yu s e di nv l s ip o s s i b l ea n d p o s s i b i l i t yo f i m p l e m e n t a t i o ni nv l s i t h ed e s i g no fd t c x oi sd i v i d e di n t od i g i t a lt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nv o l t a g e g e n e r a t i o nc i r c u i td e s i g na n dv o l t a g e c o n t r o l l e dx - - t a do s c i l l a t o r ( v c x o ) c i r c u i t d e s i g n w eh a v es t u d i e da n dd e s i g n e dt h el a t t e ro n e a f t e ra n a l y z i n ga n ds u m m a r i z i n ga v a r i e t yo fv c x oc i r c u i t s ，a no p t i m a lp r o g r a mh a sb e e nd e s e r v e d t h i sd e s i g ni sd i v i d e d i n t ot h r e ep a r t s ：x t a lo s c i l l a t o rc i r c u i td e s i g n , v o l t a g ec o n t r o l l e dc i r c u i td e s i g n ，a n d b i a sc i r c u i td e s i g n t h ex - t a lc i r c u i ti ss a n t o so s c i l l a t o r , u s e st h ea u t o m a t i cg a i nc o n t r o l m e t h o dt os t a b i l i z ei t so s c i l l a t i o na m p l i t u d e ，r e d u c e st h ed i s t o r t i o ne f f e c t i v e l y , i m p r o v e s t h ef r e q u e n c ys t a b i l i t y , o t h e r w i s e ，s a n t o so s c i l l a t o rh a so n l yo n ep a c k a g ep i n , w h i c h s a v e st h ep r o d u c t i o nc o s t 。i na d d i t i o n , w ea l s oa n a l y z et h ef r e q u e n c ys t a b i l i t ya n dp h a s e n o i s e t h ex t a lc i r c u i tu s e sa t - c u t c r y s t a lr e s o n a t o r , a n dw e a n a l y s e t h e f r e q u e n c y - t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fc r y s t a lo s c i l l a t o r b a s e do nt h i st h e o r y , w eu $ e av a r a c t o rt od e s i g nam i c r of r e q u e n c ym o d u l a t i o nv c x o ，a n dg i v eat h e o r e t i c a l v o l t a g ec o m p e n s a t i o na l g o r i t h m t h i sv c x oh a sal a r g et u n i n gr a n g ew h i c hc a nc o v e r x - t a lo s c i l l a t o rd e v i a t i o no ff r e q u e n c yd u et ot e m p e r a t u r ev a r i a t i o n ，f r e q u e n c ys t a b i l i t y v s t e m p e r a t u r eo ft h i sc i r c u i ti s5 2 5 1 0 - 7 - 4 0 8 0 。c i no r d e rt oi m p r o v et h e s t a b i l i t yo ft h ev c x o ，w ed e s i g n e dac u r v a t u r ec o m p e n s a t e dc m o sb a n d g a pv o l t a g e r e f e r e n c e ，w h i c h u s e saf i r s t o r d e ra n dn o n l i n e a re x p o n e n t i a lo r d e rc u r v a t u r e c o m p e n s a t i o nm e t h o d t h i sb a n d g a ph a sah i g hp o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o ( p s r r ) a n dl o wt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ( t c ) t h er e f e r e n c ev o l t a g ei sc o n v e r t e di n t oac u r r e n t b yu s i n go f 趾o p e r a t i o n a la m p l i f i e r ( o p a ) a n dar e s i s t o r , w h i c hc o n s t i t u t e sac u r r e n t r e f e r e n c e a f t e rf i n i s h i n gt h eb l o c k sa n ds y s t e ms i m u l a t i o n , w eh a v eg i v e nt h el a y o u td e s i g n i nt h el a s tc h a p t e r ，w ep o i n to u tt h ed e f i c i e n c yo ft h i sd e s i g na n da n a l y s et h em a i nr e s u l t a l s os o m ei m p r o v e m e n tm e t h o dh a sb e e ng i v e n k e y w o r d s ：v c x o ，p h a s en o i s e ，a g e ，f r e q u e n c ys t a b i l i t yv s t e m p e r a t u r e ， c u r v a t u r ec o m p e n s a t e db a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e i h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 摊各。争辞 日期：。7 丰了污2 ，日 第一章引言 1 1 晶体振荡器的发展概况 第一章引言 在石英谐振器问世之前，电子产品主要用l c 或r c 元件来制作振荡器，但通 常，l c 或r c 振荡器的频率稳定度大约只能达到1 0 五1 0 3 。即使采用了一系列稳 频措施，一般也难以获得比1 0 一更高的频率稳定度，这远远不能满足人们的需要。 1 8 8 0 年居里夫妇发现石英晶体的“压电效应”以来，人类就揭开了利用“石英稳频” 的序幕；1 9 2 1 年，英国人w g c a d y 用x 切5 0 k h z 的石英晶体制成了世界上第一 台石英晶体振荡器，其频率稳定度比l c r c 振荡器提高了超过一个数量级，在将 其用于无线电广播后，播出了当时稳定度最高的无线电信号，引起了强烈反响， 其后由皮尔斯( p 甜c e ) 发明的晶体振荡器电路至今仍被采用；1 9 2 7 年石英钟问世， 当时被作为“一级频率标准”，而且科学家依此还发现了地球自转的不均匀性，从而 结束了以地球自转为基础的地球时钟的历史使命；1 9 3 4 年：日本古贺、德国贝赫 曼( b e c h m a n ) 等几乎同时发明了具有零温度系数点和三次频温曲线的a t 切型石 英晶体谐振器，并做成了5 m h z 和2 5 m h z 精密石英晶体谐振器，用其做成的恒 温晶振( o c x o ) ，其频率稳定度达到1 0 。2 d a y 和1 0 - 1 3 s 的高稳定度性能；1 9 5 6 年， 研制成了小体积、低功耗的模拟温补晶振( t c x o ) ，同年人工合成水晶获得成功： 1 9 7 0 年，为适应微电子技术发展的需要，引入微电子技术的平面工艺，研制成了 贴片式晶体谐振器和表声波( s a w ) 晶体器件等；1 9 7 5 年，发明了具有应力补偿特 性的s c 切型石英谐振器；1 9 7 6 年，引入数字技术和微处理芯片，研制成数字温 补晶振( m t c x o ) 和( d t c x o ) 试验品，宽温度范围内频率稳定度可达 2 x 1 0 4 一5 5 8 56 c ，它为发展小型数字温补晶振打下了基础；1 9 8 0 年至今，实现了 石英晶体元器件的生产自动化和规模化、以及产品小型化、片式化和数字化等。 总之，石英晶体振荡器和谐振器用来产生稳定度高的频率信号或实现频率选 择，广泛应用于通信计算机、汽车电子、家用电器、远程通信、卫星通信、移动 电话系统、全球定位系统( g p s ) 、导航、逞控、航空航天、高速计算机、精密计测 仪器及消费类民用电子产品中，作为标准频率源或脉冲信号源，提供频率基准， 是目前其它类型的振荡器所不能替代的。目前对晶体振荡器的需求量比以往任何 时候都大，几乎在每一项新的应用中都迫切要求提高批量生产的晶体振荡器的性 电子科技大学硕士学位论文 能，而且这种需求与日俱增，在这种需求的推动下，随着新器件的不断涌现，新 技术的不断采用，晶体振荡器的性能也得到了不断的完善和提高。 1 2 晶体振荡器的类型 国际电工委员会( i e c ) 将石英晶体振荡器分为以下四类： ( 1 ) 普通晶体振荡器( p x o ) 。这是一种是最简单的晶振，它用石英晶体做主要 的稳频元件。其特点是，结构简单，而技术指标却优于精心制作的r c ( l c ) 振荡器。 它是今天民用和工业应用领域中使用最广泛的频率源，普通晶体振荡器的频率稳 定度一般条件容易达到l o 4 1 0 ，而采用切型的石英晶体振荡器时，在合理设计 下，即便工作温度在_ 2 0 7 0 。c 之间变化，频率稳定度还可保持+ l x l 0 。由于这 种晶振不加恒温措施，所以温度变化是影响指标的主要因素。这种晶振老化引起 的频率变化相对于温度引起的变化来说很小，因此不是主要的。但它的毫秒级稳 定度是很高的。 ( 2 ) 电压控制型晶体振荡器f v c x o ) 。这是一种输出频率随所加控制电压而改 变的晶体振荡器，简称压控晶振，频率稳定度可达到1 0 弓1 酽，一般是将控制电 压加到作为石英谐振器负载电容的变容二极管的控制极上来实现的。压控晶振广 泛用于晶振频率的校准，锁相晶振，频率调制和频率捷变技术中。 ( 3 ) 温度补偿晶体振荡器( t c x o ) 。由于晶体谐振器的频率温度特性有很多种 补偿方法，根据补偿方法的不同，温度补偿晶体振荡器可以分为两大类：模拟温 度补偿晶体振荡器( a t c x o ) 和数字温度补偿晶体振荡器，其中数字温度补偿晶体 振荡器又分为数字式温度补偿晶体振荡器( d t c x o ) 以及微机补偿晶体振荡器 f m t c x o ) 。模拟温度补偿晶体振荡器( a t c x o ) 是由晶体振荡器和热敏电阻补偿网 络两部分组成，其频率稳定度在宽温度范围内可达到1 0 6 ，由于其结构简单、体积 小、功耗低、价格低而得到广泛的应用；数字式温补偿晶体振荡器( d t c x o ) 一般 采用外部温度传感器测量晶体谐振器内晶片的温度，用数字技术处理传感器信号 并形成控制电压，控制压控晶振内的变容二极管，拉动晶体振荡器的振荡频率， 达到补偿的目的，其频率稳定度在宽温度范围内可达到1 0 ；微机补偿晶体振荡器 ( m c x o ) 是由数字温度补偿晶体振荡器( d t c x o ) 发展而来的。m t c x o 中使用了微 处理器来进行数据处理，计算及控制等操作。其频率温度稳定度在宽温度范围内 可以达到1 0 8 ，其短期频率稳定度也优于d t c x o 1 。2 1 ，但与d t c x o 相比其体积较 大，功耗高，成本也较高。 2 第一章引言 ( 4 ) 恒温晶体振荡器( o c x o ) 。这是种把石英晶体振荡器放在恒温槽中使输 出频率有优良频率温度特性的晶体振荡器，简称恒温晶振。恒温槽中的温度起伏 通常小于o 0 1 ，并且温度被控制在晶体频率温度曲线的零温度系数点，因此在 晶体振荡器中，以这种型式的稳定度最好，老化率最小，目前恒温晶振的老化率 最好已经达到l o 一2 天，已经接近铷原子钟的水平，短期频率稳定度的最高水平大 致是：毫秒级稳定度在l x l o 一1 m s ，秒级稳定度在3 x l o - 1 3 s 左右。但由于这种晶 振采用恒温槽，大大增加了其体积和成本以及线路的复杂度。尤其是体积问题， 在小型化要求越来越高的今天，已经成为恒温晶振发展的瓶颈，使其很难在军事、 商业等个领域占有更大的市场。 l - 3 课题研究的重要意义 石英晶体振荡器是一种常用的电子产品，它广泛应用于远程无线电通讯中。但 是，在宇宙通讯、导航与雷达探测等前沿领域中，一般晶体振荡器的频率稳定度 显然达不到所需的要求【3 1 。高稳定度晶体振荡器是晶体振荡器的核心部分，因而， 获得高稳定频率的信号具有非常重要的意义。如在无线电通讯系统中，如果发射 机频率和接收机的本地振荡器的频率不稳定，就会降低无线电线路的抗干扰能力， 缩短通信距离，减少给定频带内通信通道的数目。又如在雷达和导航系统中，发 射机工作频率的不稳会增大目标基本参数( 如飞机的方位等) 的测量误差。因此，雷 达和导航、相干脉冲雷达、无线电遥控和连续辐射的多普勒等系统的发射机频率 稳定度要求为1 0 。8 1 0 由量级或更高。对远离地球5 6 0 0 万公里的金星进行无线电 定位时，其频率稳定度至少应为1 0 q 2 量级。在通信领域，增加频谱潜在用户数目 的方法之一是频域分割法，即将通路的间隔缩窄，这就对载波的频率稳定度提出 更严格的要求。另外一种方法是时域分割法，即在某一特定时刻内将一组用户接 入给定通路。许多近代无线电传输系统都采用第二种方法。此时晶体振荡器又一 次起着决定性的作用。但它不是控制载波频率，而是使不同用户所占的时间间隔 协调起来，也即把它作为发射机或接收机中时钟系统的钟频发生器提供稳定的频 率。在这一应用中对振荡器性能的要求，往往比仅对载频稳定度提出高要求要严 格的多，稳定的频率已成为无线电通信系统能可靠地正常工作的条件，若没有稳 定的晶振，频谱的使用将会极端混乱，通信系统要想达到今天的水平是不可能的【4 】。 由此可见，提高频率量的稳定度对促进科技的发展至关重要。如果把处理器比喻 为电子系统“头脑”的话，那么为系统提供时序的振荡器就是系统的“心脏”【5 枷。如 3 电子科技大学硕士学位论文 果这颗“心脏”提供的时钟稳定度的好坏，会严重影响电子系统的各种性能。若没有 稳定的晶振，通信系统要想达到今天的水平也是不可能的。 需要特别指出的是，温度补偿晶体振荡器基于其工作温区宽、频率稳定度高、 功耗低、体积小、可靠性高、达到规定的频率稳定度所需时间短等优点，被大量 用于通信产品中，如通信电台、微波通信设备、程控电话交换机、无线电综合测 试仪、移动电话发射台等，其质量优劣及技术水平的高低对整个产品的性能及质 量起到了至关重要的作用。由于t c x o 具有较高的频率稳定度，其应用领域重点 扩展到移动通信系统。高精度、低功耗和小型化，仍然是t c x o 的研究课题。温 度补偿石英晶体振荡器t c x o 是手机射频电路比较关键的器件，其关键技术基本 掌握在日本公司手中，目前国内晶体在年老化率即在高温和低温情况下的稳定性 方面还有很大差距，因此生产开发具有独立知识产权的石英晶体振荡器有着重大 的经济意义和社会意义。 1 4 本论文的主要工作及结构安排 本论文主要是对数字式温度补偿晶体振荡器( d t c x o ) 中的压控振荡电路 ( v c x o ) 的分析设计。在广泛借鉴当今国内外已经取得成果的基础上，结合现有条 件，确定了本设计的主要指标和总体设计方案。为了能更好的达到指标要求，设 计对v c x o 总体电路进行了细致划分，仔细分析了影响各划分子电路指标的各种 因素，并给出了相应的解决方案，保证了子电路的性能指标，从而也保证了总电 路的性能指标。论文各章节相关内容如下： 第一章为前言部分，主要介绍了晶体振荡器的知识背景以及本论文的主要工作 和结构安排。 第二章介绍了d t c x o 的基本原理，并给出了d t c x o 中v c x o 的设计指标， 设计电路框图及设计工艺。 第三章为石英晶体振荡电路的设计，包括自动增益控制电路( a g c ) ，混合偏压 电路的设计，并针对本设计晶体振荡电路，给出了最小起振跨导、牵引因子、振 幅、起振时间、功耗、平衡条件及相位噪声的数学推导公式，同时结合本设计预 定指标，给出最佳设计方案，并对其进行了仿真验证。 第四章为电压控制电路的设计，分析晶体谐振器的频率温度特性，并结合给定 晶体谐振器的频率温度特性，给出了变容二极管的选取方案及控制电压的理论算 法。 4 第一章引言 第五章为d t c x o 中v c x o 的偏置电路及输出级的设计，包括曲率补偿的高 精度带隙基准电压源( b 锄g a p ) 、基准电流源、运算放大器( o p a ) 、不随电压变化的 电流源和推挽c m o s 输出级的设计，并对各个模块进行了数学推导、参数优化设 计及仿真验证。 第六章主要是对电路版图的设计，并讨论了版图布局技巧及注意事项。 论文最后部分为总结部分，对本论文所做工作进行了总结，给出了设计中的不 足之处及进一步计划。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章d t c x o 中的v c x o 电路结构和设计工艺 2 1d t c x o 基本工作原理 d t c x o 主要由温度传感器、a d 转换器、p r o m 一次性存储器、d a 转换器、 v c x o 、时序形成电路等组成，其结构框图如图2 1 所示。它采用外部温度传感器 测出晶体谐振器附近的温度，并在定时信号控制下通过a d 将其转变为数字码， 作为从p r o m 中读取温度补偿数据的地址码，并从中读出相应的温度补偿数据送 到d a 。再由d a 在定时信号控制下将这一温度补偿数据转换成相对应的模拟电 压量阢，然后把以加到v c x o 的频率控制器件上，以控制v c x o 的振荡频率趋 近于标称频率厶，其中控制a d ，p r o m ，d a 定时工作的控制信号由时序形成电路 产生。d t c x o 的温度频差可以达到l o 。7 数量级。 二= 1 ( 3 5 ) 式( 3 5 ) 称为起振条件，满足这个条件时，振荡器不需要先用外加信号来激励。 当反馈网络的输出电压直接连至基本放大器的输入端，这时候如果由于随机干扰 ( 例如电源接通的瞬变过程，电路组件的热噪声等) 在电路中引起某种电扰动，这种 扰动往往是非周期的，频谱分布非常宽，其中必然包含有选通频率厂的电压分量， 这个分量被选频放大器放大，经过反馈而形成闭合循环。如果环路增益t ( j 6 0 ) l ， 则反馈网络的输出电压就会大于基本放大器原来的输入电压，所以每循环一次， 振幅就加大一次，因此，即使起始的电扰动非常微弱，经过多次循环放大，也可 以产生很强的震荡电压，这个过程为振荡器的自激过程。 自激以后，由于电源电压是一定的，振荡电压的增长必然受到电源电压的限 制，并且电路中一般都有稳幅环节，它能够自动的调节环路增益t ( j o j ) 的数值，使 之随振荡幅度的增大而减小，当丁( ，动的值减小到1 的时候，达到振幅平衡状态， 此时振荡电压就能保持稳定不变。 使振荡器的输出信号达到幅度平衡的实现方法一般可分为内稳幅和外稳幅两 种 1 0 】。内稳幅方法是利用基本放大器本身固有的非线性特性来实现振荡平衡，其 电子科技大学硕士学位论文 功耗和信号的非线性失真往往比较大；外稳幅方法采用的是非线性电阻组件接入 到电路适当位置作为稳幅环节，或者采用某种自动增益控制电路( a o c ) 使振荡器在 起振过程中，自动调节其环路增益，使之满足振幅平衡条件( 3 3 ) ，从而减弱了基本 放大器中晶体管的非线性工作程度，并改善了输出信号波形，减少相位失真，并 可以控制输出信号幅度和电路功耗的大小，所以在低功耗和低相位噪声的应用中 一般都是采用外稳幅方法。 负阻式振荡器是由负阻有源网络组成和选频网络构成，其模型框图如图( 3 2 ) 所示。 。c ，1 p 厶，l i 负阻有 选频 源网络网络 图3 - 2 负阻式振荡器模型框图 由能量角度分析，正电阻消耗能量，而负电阻提供能量。负阻有源网络在振荡 频率处提供一个等效的负电阻z c ( s ) 以补偿选频网络的正电阻z r ( s ) 。当阻抗的和 为o 的时候，不需要提供外部电流，电路就可以保持振荡。反馈式振荡器模型和 负阻式振荡器模型在本质上是相同的，实际上在电路中引入正反馈，既等效于引 入一个负电阻。可以采用实部虚部的的形式而不是振幅与相位的形式来描述巴克 豪森判据。 负阻式振荡器的幅度平衡条件为： r e z 。( j r o ) + r e z i ( c o ) 嘲= 0 ( 3 - 6 ) 负阻式振荡器模型的相位平衡条件为： i m z 。( j o ) ) + i m z s ( 动】l s = j m = 0 ( 3 - 7 ) 其中表达式( 3 6 ) 确定了振荡器振荡所需的最小跨导，而表达式( 3 7 ) 确定了振 荡器的输出频率。 1 2 第三章石英晶体振荡电路的设计 如反馈式振荡器样，为了可靠的产生自激振荡，起振时，负电阻提供的能 量要大于正电阻消耗的能量，即起振条件满足 r e z 。( j o ) + r e z i ( 动】 0 ( 3 - 8 ) 3 1 2l c 振荡器结构与比较 应用中的大多数振荡器都是利用l c 回路来产生振荡的，不同类型的l c 振荡 器也是由其基本电路引出的，即通常所说的三端式( 又称三点式) 振荡器。结构如图 3 3 所示。 z 3 ( s ) 图3 - 3 三端式振荡器组成 图3 - 3 中，晶体管外与三个电抗元件z l ( s ) ，z 2 ( s ) ，z 3 ( s ) 共同构成了决定 振荡频率的并联谐振回路，同时也构成了正反馈所需要的反馈网络，根据谐振 回路的性质，谐振时回路应呈纯电阻性，因而有 z j ( s ) + z 2 ( s ) 1 + z 3 ( s ) = 0( 3 - 9 ) 由式子( 3 9 ) 可以看出电路中的三个电抗元件不能同时为感抗或者容抗，必须 由两种不同性质的电抗元件组成。 在不考虑晶体管参数( 极间电容等) 的影响，并假设回路谐振，为了满足相位平 衡条件，即正反馈条件要求办= o ，所以q ( s ) 应该与( s ) 同相。一般情况下， 回路的q 值很高，当电路谐振时，回路电流，( s ) 远大于晶体管源漏极电流，故由 图3 3 有 u ( s ) = j ( s ) z j ( s )( 3 1 0 ) 1 3 电子科技大学硕士学位论文 ) = - i ( s ) z 2 ( s ) ( 3 1 1 ) 由( 3 1 0 ) ，( 3 1 1 ) 可以得出z 1 ( s ) ，z 2 ( s ) 应为同性质的电抗元件。 综上所述，从相位平衡条件判断图3 3 所示的三端式振荡器能否振荡的原则为 ( 1 ) z 】( s ) 与z 2 ( s ) 的电抗性质相同。 ( 2 ) z 3 ( s ) 与z 1 ( s ) ，z 2 ( s ) 的电抗性质相反。 即与晶体管源极相连的两个电抗元件必须是同性质的，而不与源极相连的另 一个电抗元件与它们的性质相反。由此，三端式振荡器可分为两种基本电路结构。 如图3 - 4 所示，图3 - 4 ( a ) 中z l ( s ) ，z 2 ( s ) 为容性，z 3 ( s ) 为感性，满足三端式振荡 器的组成原则，反馈网络是由电容元件完成的，称为电容反馈振荡器，也称为考 必兹( c o l p i t t s ) 振荡器；图3 - 4 ( b ) 中z 1 ( s ) ，z 2 ( s ) 为感性，z 3 ( s ) 为容性，同样满足 三端式振荡器的组成原则，反馈网络是由电感元件完成的，称之为电感三端式振 荡器，又称之哈特莱( h 硎e y ) 振荡器 1 0 】。 l c 图3 4 两种基本的三端式振荡器 ( a ) 电容三端式振荡器( b ) 电感三端式振荡器 这两种振荡电路都是常用的，其基本原理和分析方法都很类似，但从它们的 运用特性来看，却各有其特点。 ( 1 ) 从振荡波形来看，电感三端式振荡器劣于电容三端式振荡器。虽然电路的 有载q 值很高，但总是有限，谐振时的二次谐波，三次谐波处并未衰减为零。因 此，严格来说，振荡电路中仍然有谐波的存在，波形并非理想的正弦波。电感三 端式振荡器波形失真更为明显，因为这种电路的反馈电压是在电感两端形成的， 电感的感抗j w l 随谐波次数增高而增大，故反馈电压中包含有幅度较大的谐波电 压，因而放大器的输出电压也就会产生较大的失真。电容三端式振荡器则刚好相 反，其反馈电压是在电容两端形成，电容的容抗1 j r o c 随谐波频率的增高而减小， 1 4 第三章石英晶体振荡电路的设计 故反馈电压中谐波幅度较小，因此振荡电压的波形较好。 ( 2 ) 从频率稳定性方面来比较，电容三端式振荡器较好。从图3 - 4 可以看出， m o s 管的极间电容c 。和q 实际上构成谐振电容的一部分。因此当由于某种原因 ( 电源电压变化或温度变化等) 使m o s 管的工作点改变时，极问电容也会变化，于 是振荡频率就不稳定了。对于电容三端式振荡器可以加大g 及c 2 要减小，以保 持频率不发生变化) 的方法，使得极间电容的作用相对的减小，从而提高频率稳定 性。 ( 3 ) 从频率调节来看，电感三端式振荡器的频率调节只要用一个可变电容器， 比较方便。而电容三端式振荡器为了保持反馈系数不变，则要同时调节g 及g ， 这在结构上较难实现。 本设计中所要求的振荡器输出波形，频率稳定度方面都有较高的要求，综合 考虑，选用电容三端式振荡器电路结构。 3 2 石英晶体振荡器 在振荡器中，引入晶体谐振器的目的就在于使振荡系统具有较高的q 值，振 荡频率稳定，受外界影响小。因此，选用晶体谐振器首先要求具有较高的q 值。 晶体具有很高的q 值，其值在某种程度上又取决于制造晶体水晶材料本身的q 值， 所以要求晶体的水晶材料尽可能选用高q 值材料。采用高q 值晶体谐振器，除了 能提高振荡器的频率稳定度，还对抑制噪声电平、提高频谱纯度等到方面极为有 利。 3 2 1 石英晶体等效结构 石英晶体是$ i 0 2 的结晶材料，按照一定的方式进行切割，将切割出的石英片的 两边镀上银，从银层上引出引脚，并加上封装，就构成了石英晶体谐振器。这种 材料允许机械能和电能的转化，能量交换在某一特殊频率上效率最高，该频率点 称为谐振频率点，它与石英的厚度d 成反比。通常制作的频率为1 0 0 k h z 到 4 0 , - , 5 0 m h z ，对于更高的频率，石英就会太薄而易碎，此外，晶体的固有振荡频率 还与温度有关( 频率温度特性在第四章有详细介绍) 。 石英晶体具有压电效应，当石英片受到外部的压力和拉力作用时，其两边会 产生出电荷，这是正压电效应。而在石英片的两面加电场时，石英片会产生变形， 这是负压电效应。因此当在石英晶体片的两端加交变电压时，由于正负压电效应 电子科技大学硕士学位论文 + 半a b 石= 芴1 鬲1 ( 3 1 2 ) q = 去层 p 聊 ， 1 知= ” 2 石 = 石呼缸们鼍) ( 3 ，4 ) 乙z 乙“ 由于g 尽，所以表示负阻b 的直线比图中所描绘的更接近 虚轴，几乎就在虚轴上。即 结合式( 3 - 4 9 ) 推得 胪南 2 ( q + 辫) 0 5 3 ) ( 3 5 4 ) 本设计中用到的1 0 嘲2 石英晶体谐振器的等效电路参数为： b = 6 4 q ， 旦鸩 + 墨 等 得 磊 可简化 、， l5 p 式与 缈 i - 0 式 第三章石英晶体振荡电路的设计 厶= 2 5 4 6 4 7 9 0 9 m h ，g - 9 9 4 7 1 8 3 9 4 x 1 0 4 f ，c o = 2 4 8 6 7 9 5 9 9 x 1 0 1 1 f 。在设计 中为了减小封装电容的影响，提高稳定度，办还必须要满足( 3 2 2 ) ，结合( 3 - 5 4 ) ， 得到，本设计中由晶体谐振器并联电容c o 、电容c 3 与变容二极管c d 组成的q 约 为3 6 p 。 黑 5 0 0 c s 一1 3 8 p f ( 3 - 5 5 ) g + g ” 为了得到更小的牵引因子p ，需要较大的q 和c 2 。由3 4 节论述中可知，s a n t o s 振荡器中电容q 和g 集成在电路中，因此不能太大，并且大的电容也需要大的电 流，但是过小电容c l 和c 2 又会使晶体管级间的寄生电容影响变大，因此设计时要 折中考虑。当q = c 2 时，不等式( 3 - 5 5 ) 左边最大，基于芯片面积的考虑，电容q 和 g 一般取值相等，设计中电容取值为q = g = 5 0 p ，则 黑= 3 0 p f 1 3 8 p f ( 3 - 5 6 ) g + g 7 满足( 3 - 5 5 ) 的条件，把q = q = 5 0 p 的值代a 。( 3 - 4 6 ) ，得g 。血= 6 4 , u s 。 在上述的计算中，并没有考虑实际设计中的各种寄生参数的影响，如由于电路 板( p c b ) 的焊盘( p a d ) 和在封装的时候引入及晶体管的各种寄生电阻，电感，电容， 同时集成电路在实际应用的时候，在应用系统的电路板p c b 上也有各种寄生电阻， 电感，电容。这些寄生参数都会少量的增加最小的起振跨导曲的数值。同时考 虑到要求晶体振荡器在很宽的工作温度范围( - 4 0 x ：8 0 c ) 以及c m o s 工艺参数变化 的条件下都可以顺利起振。因此为了保证晶体振荡器的可靠起，g 。的数值要为最 小的起振跨导血i n 的5 1 0 倍，本设计中取5 倍左右，为3 3 0 t s 。m o s 管的跨导 g 。计算公式如下 岛= 辱 匙，则 声熹( 3 - 6 2 ) 声砸 ) 式( 3 - s o ) 代a ( 3 - 6 2 ) ， = 掣 q + g - 嘞啪+ c o 酱，( 3 - 6 3 )= 1 产观纵钮1 + 督 其中q 为串联谐振时的品质因数， q = 1 ( 略g 足)( 3 6 4 ) 把所选用晶体的参数代入( 3 6 3 ) 计算得出， = 5 0 0 n t = 1 5 0 0 t( 3 6 5 ) 式中，t 为振荡周期，表明起振时间常数约为1 5 0 0 个周期，为了达到静态状 态( 5 以内) ，需要5 一1 5 的时间常数，因此振荡器的启动很慢，同时也表明 了晶体振荡器的品质因数非常高。实际应用中，为了减小启动时间，可以通过适 当的开关转换的方法，增加一