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低噪声集成石英晶体振荡器设计 摘要 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l c 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l e e s o n 噪声模型，指导后 续的低噪声振荡器设计。 根据c m o s 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c a d e n c e 中的 s p e c t r e 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( t s m c ) 的t s m c0 1 8 n nm i x e ds i g n a l 工 艺库进行仿真，使用c a d e n c e 中的版图工具v i r t u o s o 完成各个模块的版图设计， 通过d r c ( d e s i g nr u l ec h e c k ) ，l v s ( l a y o u tv e r s es c h e m a t i c s ) 验证。 仿真结果显示：采用标称频率为2 0 m h z 、a t 切的晶体谐振器模型，电路在 电源电压为3 3 v ，工作温度为2 7 时，经过缓冲器输出的振荡信号频率为2 0 m h z ， 峰峰值约为8 8 0 m v ，总的相位噪声为一1 3 2 d b c h z 1 0 0 h z 。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。 关键词：石英晶体；集成振荡器；相位噪声；噪声模型；版图设计 i i 硕士学位论文 a bs t r a c t q u a r t zc r y s t a lo s c i l l a t o ri so n eo ft h em o s ts t a b i l i t yf r e q u e n c yr e f e r e n c e s b e c a u s eo ft h eh i g hqa n dl o wi n p u tc o e f f i c i e n to ft h eq u a r t zc r y s t a lr e s o n a t o r , t h e q u a r t zc r y s t a lo s c i l l a t o rh a sm a n ye x c e l l e n ta d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hf r e q u e n c y s t a b i l i t ya n dg o o da g i n gr a t e n o w a d a y s ，i th a s b e e nw i d e l yu s e di n t oc o m m u n i c a t i o n s ， r a d a r ，n a v i g a t i o na n da n yf i e l d sw h i c hn e e dh i g hs t a b i l i t yo s c i l l a t o r s a t p r e s e n t ，c r y s t a lo s c i l l a t o r s ，i nc h i n a ，a r em a i n l ym a d eb yd i s c r e t e c o m p o n e n t s 。a st h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g ya n dp r o c e s s ，i ti sn e c e s s a r yt o d e v e l o pal o wp h a s en o i s ei n t e g r a t e dc r y s t a lo s c i l l a t o r a tf i r s to ft h i sp a p e r , w er e v i e w e dt h ed e v e l o p m e n ts t a t u so f c r y s t a lo s c i l l a t o r s t h e nt h ep h y s i c a lc h a r a c t e r sa n dp r i n c i p l eo ft h eq u a r t zr e s o n a t o rh a v eb e e nd i s c u s s e d w ec o m p a r e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs e v e r a lo s c i l l a t o rs c h e m a t i c s b e s i d e s ，t h ec o n v e n t i o n a lp r i n c i p l e sa n dm o d e l so fp h a s en o i s ew e r ed e e p l y r e s e a r c h e da n da n a l y z e d t h ew h o l eo s c i l l a t o rc a nb ed i v i d e di n t os e v e r a lc e l l s t h ef i r s to n ei st h eb i a s c i r c u i tw h i c hc o u l dp r o v i d et h eo s c i l l a t o rw i t hs t a b l eb i a sc u r r e n ta n d v o l t a g e ，i ns p i t e o ft h e c h a n g eo ft e m p e r a t u r ea n ds o u r c e s a n dt h e n ，t h ec r o s sc o u p l e dc r y s t a l o s c i l l a t o rc i r c u i tw i t hd u a l o u t p u tw a s p r o p o s e d i no r d e rt or e d u c et h ep h a s en o i s eo f t h eo s c i l l a t o r , w ed i s c u s s e dt h ea p p l i c a t i o no fl e e s o np h a s en o i s em o d e lt ot h i sc i r c u i t a n ds h o wo u ro p i n i o n sa n di m p r o v e m e n t so ft h em o d e l f o r i s o l a t i n gt h eo u t p u tl o a d ， t h ef o l d e dc a s c o d eb u f f e rw a sl c a di n w ef i n i s h e dt h eb a s i ca r g u m e n t sa n d p a r a m e t e r s c a l c u l a t i o no ft h ec o m p o n e n t s d i f f e r e n tk i n d so fs i m u l a t i o n sh a v eb e e nm a d et o v e r i f ya n dc o n f i r mt h o s ec o m p o n e n ta r g u m e n t s a l ls i m u l a t i o n sr u nw i t ht h ec o m p u t e r c i r c u i ts i m u l a t i o nt o o ls p e c t r eo fc a d e n c e t h ep r o c e s sd e s i g nk i to ft h i sd e s i g ni s t s m co 18 u nm i x e ds i g n a lp r o c e s s a l ll a y o u t so fc e l lc i r c u i t sw e r ea c c o m p l i s h e d b a s e do nt h ev i r t u o s oo fc a d e n c e ，a n dp a s s e dt h ed r c ，l v sv e r i f i c a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a t ：t h ep h a s en o i s eo ft h eo s c i l l a t o rw i t h2 0 m h z a tc u tc r y s t a lr e s o n a t o rm o d e li s - 1 3 2 d b c h z l o o h za t2 7 。c ，w h i l et h ev d d i s3 3 v t h ev o l t a g ep e a kt op e a ki sa b o u t8 8 0 m v t h ec r y s t a lo s c i l l a t o rs h o w sad e c e n t p e r f o r m a n c ea n dm e e t st h en e e d so fo u rd e s i g n k e yw o r d s ：q u a r t z ；i n t e g r a t e do s c i l l a t o r ；p h a s en o i s e ；p h a s en o i s em o d e l ；l a y o u t i i i 硕十学位论文 插图索引 图2 1 石英晶体谐振器的封装图一7 图2 2 石英晶体切型图7 图2 3a t 切型谐振器频率温度与切角关系图8 图2 4 晶体谐振器等效电路图9 图2 5 三点式晶体振荡器结构1 2 图2 6r l c 并联阻抗作负载的反相放大器12 图2 7 两级反相放大振荡器1 3 图3 1 放大器的e n i n 噪声模型1 6 图3 2 放大器和谐振电路的噪声模型1 7 图3 3 石英谐振器和放大器噪声模型1 8 图3 4 相位噪声频谱2 0 图3 5r l c 调谐网络的等效电路2 0 图3 6r l c 振荡器的等效电路2 0 图 图 图 图 反馈振荡器方框图2 1 并联谐振电路的幅频和相频特性2 2 振荡器的噪声谱2 4 0q 值对振荡器噪声谱的影响2 4 图4 1 石英晶体振荡器模块图2 6 图4 2 带频率补偿的两级运算放大电路2 7 图4 3 运放的输出幅频特性和相频特性曲线2 8 图4 4 带隙基准源电路2 9 图4 5 带隙基准电压的温度特性曲线3 0 图4 6 偏置电流、电压产生电路3 1 图4 7 偏置电流，妇随温度变化特性曲线3 1 图4 8 偏置电流厶缸，随电源电压变化特性曲线3 2 图4 9 常见的交叉耦合v c o 拓扑结构3 3 图4 1 0 基于交叉耦合结构的晶振驱动电路及石英晶体谐振网络3 5 图4 1 1 晶体振荡器输出波形3 6 图4 1 2 高通滤波器对相位噪声的改善3 6 图4 1 3 放大器输入噪声3 9 图4 1 4 相位噪声分析仿真结果曲线与计算结果曲线3 9 v 低噪声集成石英晶体振荡器设计 图4 1 5 振荡器相位噪声的开环模型4 0 图4 1 6 振荡器相位噪声的闭环电路模型4 1 图4 1 7 交叉耦合振荡电路的反馈模型4 2 图4 18z ，埘。等效电路4 2 图4 1 9 振荡器相位噪声计算仿真结果对比4 3 图4 2 0 相位噪声随长度变化的仿真曲线4 4 图4 2 1 振荡器相位噪声随r c 的变化4 5 图4 。2 2 折叠共源共栅缓冲器4 6 图4 2 3 缓冲器输出波形图4 7 图4 2 4 晶体振荡器优化前后的相位噪声4 7 图4 2 5 石英晶体振荡功能电路版图4 8 图4 2 6 集成晶体振荡器整体版图5 0 v i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：王阖日期：年月y 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密阢 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：王废i 翩虢露谪 日期：叩年月产日 日期：办胡年月v 日 ， 硕士学位论文 第1 章引言 随着科学技术的发展，特别是在全球定位系统、计量、通信，时间与频率计 量等领域，对基准频率源的精确度、稳定度提出了越来越高的要求。因而，对高 稳定度频率源的设计和研究具有非常重要的意义。 石英晶体振荡器因其很高的精确度和频率稳定度而具有广泛的应用领域，如 长途和市话通讯、地面、航海和航空移动目标通讯、卫星通讯、雷达导航测控、 卫星地面站、广播电视系统和全球卫星定位导航系统，均需要各类石英晶体振荡 器作为频率控制标准信号源；又如射电天文、近代物理实验、精密时频计量和精 密频率综合器等电子仪器，皆有赖于高稳定度的石英晶体振荡器提供精密的频标 和时基；再如，作为精密时频一级标准的地面和星载电子钟，也必须采用高性能 的伺服晶振，否则，就难于构成性能最佳的一级频标。在现代电子系统和设备以 及精密时频计量等必须频率控制和管理的领域中，类型繁多的各种石英晶体振荡 器，业已获得广泛的应用，素有无线电设备中的心脏之称l lj 。 1 1 石英晶体振荡器的研究现状 石英晶体振荡器从产生到现在已经有近8 0 年的历史，技术相对来说己经比较 成熟。石英晶体振荡器的技术指标有：短期稳定度、长期稳定度、开机特性、带 负载能力、工作频率范围、频率温度稳定度、工作温度范围、工作电压范围和功 率消耗等等【2 1 。目前晶振的研究朝着小型化、高频化、启动快、低噪声以及低功 耗的方向发展。 一般的l c 振荡器，它们的日频率稳定度大约为1 0 - 4 1 0 。5 的数量级。即使采 用一系列的稳定频率的措施，一般也难以获得比1 0 - 5 更高的频率稳定度【3 】。但是， 实际情况往往又需要更高的频率稳定度。利用石英晶体的压电效应，将石英晶体 作为振荡回路的元器件，构成石英晶体振荡器，可以获得很高的频率稳定度，其 频率稳定度可以达到1 0 。8 的数量级【4 1 。由于温度的变化对振荡器的频率稳定度的 影响最为显著，所以为了提供很高的长期频率稳定度指标，现在通常采用温度补 偿的方法或加恒温度槽保证晶体的工作温度不变，从而抑制温度变化对振荡器长 期频率稳定度的影响。 振荡器作为，提供基准频率源的电路模块，它的最主要指标是频率稳定度。频 率稳定度又可以分为长期频率稳定度和短期频率稳定度两种，长期频率稳定度主 要是指振荡器元器件老化或由于振荡器所处环境条件( 如温度，电源电压，磁场， 负载等外界因素) 的变化而引起频率的波动。长期频率稳定度以一天或更长的时间 低噪声集成石英晶体振荡器设计 来计算。短期频率稳定度是讨论以秒或毫秒来计算的频率起伏。由于观察的时间 非常短，所以影响短期频率稳定度主要因素是各种随机噪声以及一些快速变化的 元器件的寄生参数。研究短期频率稳定度也就是研究振荡器的相位噪声。 在各种通信系统中，重点考虑的是振荡器的短期频率稳定度，也就是振荡器 的相位噪声特性。低的相位噪声意味着输出的振荡信号有更低的相位抖动和失真， 从而提供更加精确的时钟信号基准源【5 1 。在通信系统中，本振信号的频谱纯度对 于接收机或发射机都是至关重要的，例如对于在第三代移动通信系统，高清晰度 数字电视通信系统以及卫星通信系统中广泛应用的正交相移键控数字调制方式， 由于它的信息是包含在载波的相位中的，而带有较大相位噪声的本振信号对载波 进行下混频后，中频信号的相位受到干扰，解调后就增大了误码率，从而影响通 信质量。高频本振信号一般是在锁相环电路的相位负反馈控制作用的基础上由石 英晶体振荡信号得来的，前者的相位噪声与后者的频率稳定度有紧密直接的联系 【6 1 o 由于在工程应用的不同，对石英晶体振荡器的性能及技术指标要求也是不一 样的。因此，按照频率源的温度稳定性、长期稳定度、短期稳定度、开机时间、 压控特性和抗干扰等性能的要求，国际电工委员会将通信系统中常用的石英晶体 振荡器分为4 类【7 j ，如下： 普通晶体振荡器简称p x o ( p a c k a g e dx t a lo s c i l l a t o r ) ，它仅包含最基本的晶体 振荡器电路，通常应用于微处理器的时钟频率源。p x o 的工作电压范围通常为 3 5 v ，其典型频率范围通常为1 m h z 至1 6 0 m h z ，频率稳定度为1 0 0 p p m ，相位 噪声特性约为一l o o d b c h z l o o h z t 8 1 。p x o 没有采用任何减少器件输出频率温度 影响的手段。但是，低廉价格是它们成为在温度变化不大或无需很精确和很稳定 的应用中的理想选择。本文设计的适合集成电路工艺的晶体振荡器可归于此类。 压控晶体振荡器简称v c x o ( v o l t a g ec o n t r o l l e dx t a lo s c i l l a t o r ) ，它的特点是 输出频率可以用外加电压来进行控制，其工作频率范围为1 m h z 至3 0 m h z ，频率 稳定度为5 0 p p m ，典型的相位噪声特性为一1 0 5 d b c h z 1 0 0 h z 。由于压控晶体振 荡器具有频率调整范围宽，因此直接f m ( f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 调制采用v c x o 最为适宜，也常用在锁相环电路中。正因为此，国内外对v c x o 的研制与生产都 是非常重视的。v c x o 的频率调整范围通常可以达到5 0 2 0 0 p p m t 9 1 。 温度补偿晶体振荡器t c x o ( t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e dx t a lo s c i l l a t o r ) 禾l j 用温度 补偿电路对石英晶体振荡器的频温偏差进行补偿，以提高温度的稳定性。t c x o 的工作频率范围为1 m h z 到6 0 m h z ，频率稳定度为l p p m 到5 p p m ，相位噪声特 性优于前两类为一1 1 0 班 c 勉 1 0 0 h z 1 0 】。t c x o 具有体积小、重量轻、功耗低、 无需预热等突出特点，所以在通讯、导航、航空航天、程控交换机、通用仪器等 军用、民用电子设备中应用十分广泛。温度补偿晶体振荡器分为模拟温度补偿晶 硕士学位论文 体振荡器和数字温度补偿晶体振荡器两种。 恒温晶体振荡器o c x o ( o v e nc o n t r o l l e dx t a lo s c i l l a t o r ) 是目前频率稳定度、 精确度最高的振荡器，亦被称为高稳定度晶体振荡器。它在老化率、温度稳定性、 长期稳定度和短期稳定度等方面的性能都非常好【l 。o c x o 的工作频率范围为 1 m h z 到7 0 m h z ，频率稳定度为0 0 5 p p m 到0 3 p p m ，典型的相位噪声特性优于 一1 2 0 d b c h z 1 0 0 h z ，对于某些特效应用甚至能达到更高。目前，o c x o 的老化 率已接近铷原子钟的水平。虽然晶振不能完全替代原子钟，但它的价格低，寿命 长，短稳性能比原子钟好而被广泛应用于精密的测量仪器仪表、通讯机站、雷达 设施、航空航天等对频率稳定度要求很高的场合。 设计技术既以制造工艺为基础，又能推动制造工艺的进步。目前，用于制造 集成石英晶体振荡器的工艺技术主要有b i p o l a r ，c m o s 和b i c m o s 等三种工 艺。集成晶体振荡器根据电路结构和设计的不同，振荡器的性能差别较大。大多 数商品化的高性价比产品的加工尺寸都在0 3 5 , u r n 0 6 u n ，并正逐步在更小的加工 尺寸下实现。由于c m o s 工艺电路具有低制造成本、高集成度、低功耗、成品率 高和器件尺寸易于按比例缩小等优点，现在成熟的商用c m o s 工艺的特征尺寸已 经下降到0 0 9 , w n 0 1 8 , u r n ，特征频率超过了5 0 g h z ，而且由于绝大部分的数字集 成电路都是由c m o s 工艺制造的。所以为了和数字电路制作在同一块芯片上以实 现片上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) ，模拟电路也要用同一工艺来实现低成本和高集 成度，而且随着c m o s 工艺向深亚微米的挺进，它也可以获得可以与b i p o l a r 工艺相比的高速度。因此采用c m o s 工艺是未来的低功耗低成本大规模数模混合 集成芯片的发展趋势。但是有时为了某些特殊的性能，也选择b i p o l a r 和 b i c m o s 工艺，利用b i p o l a r 和b i c m o s 工艺制造的晶体振荡器可以具有电路 结构简单，性能优良的特点，但是同时具有较高的生产制造成本【l2 1 。 1 2 课题研究的意义 在通信、雷达及类似的系统中，需要采用信号源作为日趋复杂的基带信息的 载波。为实现频率的转换，也要利用信号源作为本机振荡器。简单的信号源可能 只是一个单独的晶体振荡器或者手动调谐振荡器，随着频谱用处的增多，信号源 标定频率的允许容差不断减小，这就有必要研制更高性能的信号源。为此，了解 信号源中相位噪声的机理作为控制和减小它的第一步就变得日益重要。要制作高 质量的信号源，必须选择良好的振荡电路，普通的振荡器如l c 、r c 振荡器频率 稳定度差，不宜直接采用。因此，我们需加入稳定性高的谐振器件来提高频率稳 定度，如晶体谐振器、声表面波器件、谐振腔和介质谐振器等，其中晶体谐振器 因具有较高的q 值而被广泛采用，用其制成的晶体振荡器具有良好的频率稳定性。 晶体振荡器是现代通信和雷达系统的真正“心脏 ，决定着它的性能好坏，因此该 低噪声集成石英晶体振荡器设计 课题研制低相位噪声石英晶体振荡器具有重要的意义，也有很好的实用价值。 目前国内晶体振荡器的研制与日美等发达国家差距较大，从7 0 年代末开始， 我国的晶振研制和生产水平从性能指标、品种规格到工作频率各方面均得到了迅 速的发展。随着工业应用和通信产业的高速发展，国内的石英晶体和晶体振荡器 的产量逐年递增，2 0 0 6 年对国内晶体谐振器的产量统计如表1 1 所示【 】。最新统 计显示，虽然遭受全球金融危机的影响，2 0 0 8 年我国石英晶体元器件的产量仍然 稳步上升，占到全球晶体元件产量的5 0 【1 4 】，可以预见，随着3 g 通信网络的普 及，晶体振荡器将拥有更广阔的市场空间。 表1 1 近期国内晶体谐振器产量( 单位：亿片) 但与国内石英晶体元器件产量空前的上升趋势相比，国内晶体振荡器技术的 进步尚不能完全适应现今高速发展的通信产业的需要。特别是在航空航天，国防 军事应用方面，对石英晶体振荡器的功耗，相位噪声，频率稳定度，工作电压和 温度范围等指标的要求十分苛刻，这促使研究人员对高性能的石英晶体振荡器的 不断探索。但是，我国与国外的先进水平的差距甚大，这对我国的战略安全和经 济发展造成不利的因素，在学习引进国外先进技术的同时，必须自主开发具有独 立知识产权的石英晶体振荡器。低噪声集成晶体振荡器课题的研究和开发对打破 国外垄断和填补产业空白都有着巨大经济意义和社会意义，对于推动我国石英晶 体振荡器产品的结构调整，缩小同国外先进水平的差距都有十分重大的意义。 1 3 课题研究内容及结构 本文共分分为四个章节，各部分主要内容如下： 第一章：主要介绍振荡器的技术现状以及设计方法，阐述课题研究的意义。 第二章：介绍石英晶体的物理性质和电学特性，探讨石英晶体电路仿真的等 效模型并讨论各种参数的物理意义。讨论晶体振荡器几种典型的电容三点式电路 以及交叉耦合电路，比较各种结构的优缺点。 第三章：在广泛研究现有的振荡器相位噪声理论的基础上，从放大电路、谐 振电路噪声两个方面入手讨论电路的噪声特性，公式推导。详细分析了最常用的 相位噪声l e e s o n 模型，为振荡器的低噪声设计打下理论基础，并进行总结指出影 响石英晶体振荡器相位噪声的主要因素。 第四章：对晶体振荡器电路各个子模块进行设计。参考已有的偏置电路结构 【l5 1 ，采用经典的带隙基准结构为核心，根据本设计需要进行偏置电流、电压模块 的设计。在理论分析计的基础上，结合电路仿真结果，完成交叉耦合振荡的初步 硕士学位论文 设计。然后，针对本电路对l e e s o n 相位噪声模型进行改进，提出具体的优化方案， 在电路仿真配合下，对电路做相位噪声的优化。设计折叠共源共栅结构的缓冲器 来隔离后级负载电路对振荡器的影响，完成三个模块的电路设计。振荡电路总体 版图设计过程中，仔细绘制版图，尽可能避免来自寄生参数，电路匹配以及噪声 耦合等因数引起的性能恶化。 最后，总结全文所做工作与取得的成果。分析该晶体振荡器的设计结果，提 出遗留的问题以及进一步研究的方向和建议。 低噪声集成石英晶体振荡器设计 第2 章石英晶体振荡器原理分析 振荡是指连续的发生振幅一定、频率一定的振荡现象，产生振荡的电路叫振 荡器电路。晶体振荡器电路的基本功能就是将直流电能转变成具有一定频率、一 定幅度和频率高度稳定的交流电能，这种转换就是在石英晶体的参与下进行的。 利用石英晶体的压电效应，将石英晶体作为振荡回路元件，可以获得很高的频率 稳定度。 2 1 石英谐振器的主要特性 石英是矿物质硅石的一种( 现已能人工合成制造) ，它的化学成分是s i 0 2 ，其 形状是六棱柱而两端呈角锥形的结晶体，具有各向异性的物理特性。石英晶体谐 振器是晶体振荡器的核心组件，通常由一定切型石英晶体片、电极、固定用支架 及相关辅助装置构成【1 6 】。晶体谐振器是基于石英晶体的压电效应原理制成的。它 质量的好坏直接影响到晶体振荡器的整体技术指标。 用石英晶体稳频已经有近8 0 年历史，这期间虽然出现了各种机械谐振器， l c 谐振电路也有改进，但用晶体稳定频率仍然占有极其重要的地位。因为石英 晶体无论在物理和化学性能上都是较为稳定的材料，因而谐振频率必然稳定；石 英晶体具有弹性振动损耗极小的特点，因而谐振的品质因数可达数百万，这一点 是极为可贵的；选择不同的切割方位和几何形状，可获得良好的频率温度特性； 压电效应使得晶体片具有导电性，石英晶体片具有固有的振动频率，此振动频率 决定于晶体片的几何尺寸、密度、弹性和泛音次数，当晶体片的固有谐振频率与 加于其上的电场电源频率相同时，则晶体片就会发生谐振，此时振动的幅度最大， 同时压电效应在晶体片表面产生的电荷数量和压电导电性也最大，这样晶体片的 机械振动与外面的电场形成电压谐振。石英晶体的这种特性，是其应用在晶体振 荡器上的理论基础【1 7 】。 石英谐振器按照封装方法的不同可分为三种：一种是胶木壳晶体，由于没有 封装，只适合在气候干燥的环境下使用，而体积大已被淘汰；另一种是金属壳封 装的晶体，目前中等精密晶体均采用这种封装方法；还有一种是高真空玻璃壳封 装，一般高精密晶体采用这种封装方法，其优点是清洁度高、可提高晶体品质因 数、减少老化效应，因而能提高晶振的频率稳定度，对改善开机特性和频率再现 性也很有作用，缺点是机械强度较差。图2 1 为石英晶体谐振器的封装图【l 引。 石英谐振器中的各种晶片，就是按照与它三个对称轴( 电轴x ，机械轴y ，光 轴z ) 不同角度切割成的薄片。石英谐振器谐振频率与晶片的形状，宽长比，以及 硕士学位论文 上 二 t h c _ 4 9 u ，、 1 3 6 m m x ；1 3 0 m m 4 9 m m 二二3：3 s m m 1 1 4 m m ( a ) 石英晶体符号； 石英晶体与封装；( c ) 石英晶体谐振器的封装尺寸( h c - 4 9 u ) 图2 1 石英晶体谐振器的封装图 晶体性能优劣有着很大的关系。 图2 2 为石英晶体谐振器的切型示意图【l9 1 。频率与晶体尺寸的关系可由下式 表示：f = r d ( d 决定于振动形式) 。纵振动时，d 表示晶体片的宽度、长度或直 径；横振动时，d 表示晶体片的厚度。k 为频率系数，厂单位是k h z 。频率越高， 厚度越薄，则机械强度越差，加工也越困难。此外，还有一种泛音晶体，即工作 在机械振动谐波上，它与电信号谐波不同，不是其基波的整数倍而是整数倍的附 近。泛音晶体必须配合适当控制电路才能工作在指定的频率上。 图2 2 石英晶体切型图 低p * 成* 日体* 8 ” 目前，比较常用的有a t 切和s c 切型晶片e 2 0 】。虽然s c 切型晶体具有更佳的 频率特性，但s c 切型晶体在其基频附近存在的b 模寄生振动，需要加入b 模抑 制网络才能很好的工作，不便于集成电路工艺实现口“。a t 型晶片除了加工比较 容易、体积小外，还有显著特点是谐振器的振荡频率与温度的关系呈近似的三次 函数关系因而它有零温度系数点，且零温度系数点大致落在大气环境温度范围 内，因此用a t 切谐振器作成的振荡器具有较好的频率特性。在本晶体振荡器设 计中采用a t 切晶体谐振器及其等效模型。 选用晶体谐振器时，可根据对石英晶体的不同要求，选用不同切角的谐振器。 用户可以从经销商提供的资料中找到切角与频率温度特性的对应关系，以及各种 参数指标。a t 切型谐振器的频率温度特性与切角的关系如图2 3 所示口2 】： 图2 3a t 切型谐振器频率温度与切角关系图 虽然，a t 七u 型的晶体出现的比较早，人们对它的也进行了大量的研究和工艺 上的改进，但它仍存在一些缺点，a t 切型的石英晶体存在较大的幅频效应，即晶 体振荡的频率与振荡幅度的大小相关。另外，a t 切型晶体还存在着较大的频率过 冲现象，即它的工作环境的温度发生变迁时振荡器的频率会产生一个过冲才缓慢 的过渡到另一频率。当谐振器所处的环境温度由某一恒定温度跃升至另一恒定温 度时谐振器的振荡频率首先会产生过冲，然后才缓慢的趋向于另一个频率；当 环境温度突然降低时，相反的过冲也会出现。 综上所述，在使用a t 切谐振器时，切不可让谐振器加热或冷却过快，激励 也不可过强。因为当这两种因素在石英片内产生的热应力超过破裂点应力时，晶 w 目 m j 0 硕士学位论文 体片就会破裂。即使晶体片未破裂，但片内可能产生细微的裂缝使附着在晶体片 上的电极可能会局部与晶片脱离。这时，谐振器虽然仍可振荡，但各项性能都将 受影响。 石英晶体谐振器的电气模型可如图2 4 所示【2 3 1 。图中l 、r q 和c 口的串联谐振 电路表征石英晶体的固有电气特性，静态电感匕与石英晶体的质量有关，表征石 英晶体谐振器的振动质量，电阻r 。表征晶体谐振器振动时的能量损耗，而e 与它 的刚性有关，c n 表示分路电容。由于石英晶体具有很高的三。q 比，故等效电路 的串联支路有极高的q 值，一般可达几万到百万以上。 r q c q l q c o r e j x l r 。是谐振器等效电路中电抗的实部，鼍是等效电抗的虚部。等效电路的电抗： 耻一 亿。， ”l 咄一击j + 志 彩d2 相对失谐量： a r o = 国一( 0 0 晶体的特征阻抗： p 2 鸣2 者 由于c 口 q ，晶体的接入系数： ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 低噪声集成石英晶体振荡器设计 p = 矗专 亿5 ， q 2 等2 去 仁6 ， 耻巫亿7 ， 耻南 1 + 4 p 2 i 二二j t ： 州q 2 d ( 铲2 - x 丝) - 。 等= 一丢p 1 2 1 歹i i p 土 芦 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 簪罗 瓦瓦 一 h 一 = = 4 q 缈 硕士学位论文 由于晶体的q 值一般来说是相当的高，所以上式可化简为： q 卑 ( 2 15 ) 1 七p 2 吃国。 ( 2 16 ) 于是： q 刮1 力二q ( - 爱) 亿，7 ， 无训- + 三p m ( + 瓦c q ) 亿 由于晶体一般工作在它的串联谐振频率或是并联谐振频率，所以晶体电抗是 零或是呈电感性的。由于晶体对外电路呈现不同的电抗，因此晶体的频率将发生 变化。 如果假设i 民心( c o 岣 i s ，那么串联谐振频率和并联谐振频率之间，晶体 的等效电阻r ，可以表示为： 耻尺，( 警 2 ( 2 1 9 ) 比较式( 2 1 3 ) ，( 2 1 4 ) 和( 2 5 ) 可知，r 。的作用使c o 。和国，之差减小。当r 。一定 时，由式( 2 1 3 ) ，( 2 1 4 ) 可知，减小c d 时，q 增大，国，减小，吃增大，因而与c o ， 之差增大，工作频率范围变宽。但e 不能过小，因为c o 太小，谐振电阻变大，谐 振器难以起振。 除了以上讨论几个方面，石英晶体的性能、封装等还能直接影响晶体振荡器 的老化特性，已在本设计研究范围之外，这里不再赘述。 2 2 石英晶体振荡器电路 晶体振荡器中最常见的是三点式晶体振荡器。根据交流接地的方法不同，三 点式晶体振荡器又可以分为皮尔斯( p i e r c e ) 振荡器，科尔皮兹( c o l p i t t s ) 振荡器和克 拉普( c l a p p ) 振荡器，其结构图如图2 5 所示【2 引。 皮尔斯和克拉普振荡器，基极偏置电阻连接在较大的电容器的两端，因此对 电路性能影响不大。相比而言，科尔皮兹的偏置电阻接在晶体谐振器的两端，因 此在较低频率将会恶化振荡器的性能。利用场效应管可以使用较大的栅极偏置电 阻，可以克服低频时的性能恶化。 这三种接法中，皮尔斯振荡器的设计较为简单，而科尔皮兹振荡器较为复杂。 皮尔斯振荡器中晶体的一端不能接地，这一点限制了其在晶体开关的使用【2 5 1 。 低噪声集成石英品体振荡器设计 x 1 a l 争jj i h 1 r r - c l l x t a l ( a ) 皮尔斯晶体振荡器；( b ) 科尔皮兹振荡器；( c ) 克拉普振荡器 图2 5 三点式晶体振荡器结构 前面介绍的几种晶体振荡器都是比较常用的晶体振荡器，能够广泛应用于大 多数场合。但在些需要差分信号源的应用场合这几种结构就显得不太适合了。 在集成压控振荡器中，常使用交叉耦合振荡器来提供差分信号。 如图2 6 所示，在l c 谐振频率处，l c 谐振电路等效为一个电阻冠，则整个 电路作为反相放大器工作。两个振荡器级联可构成交叉耦合振荡器。r l c 并联负 载用电阻负载代替时，振荡器可视为锁存器，但图2 7 所示的电路不会被锁定， 因为在低频时，冠是一个很小的值，也就是说电路的低频增益很低。 l 1 i n p c 1 u t p u t 图2 6r l c 并联阻抗作负载的反相放大器 振荡器要起振必须满足两个条件，也就是著名的巴克豪森准则【2 6 l ： ( 1 ) 环路总的谐振相移为零； ( 2 ) 环路增益大于1 ，即g 。l r g 。2 r 2 l 在谐振时每一级的相移为1 8 0 。，总的相移为3 6 0 。，可见此电路满足相移条 件。只要m o s 管的宽长比足够大，即跨导足够大，就可以满足起振条件。 硕士学位论文 l 1 图2 7 两级反相放大振荡器 两个m o s 构成交叉耦合对，在功能上等效为一个负电阻。交叉耦合电路m o s 管的漏电流强烈依赖于电源电压，这也是该结构的一个缺点，因此输出电压摆幅 强烈依赖于电源电压。由于电路为差动形式，插入一尾电流源后，两管的总偏置 电流由尾电流决定，输出电压摆幅将不受电源电压的影响。当阻值为足的负电阻 与电路并联时，可认为正负电阻相抵消，r l c 谐振网络在其谐振频点时，电路中 没有能量消耗，振荡可以持续下去。负阻振荡器的设计思想就是要求实现一个r 大小相等的负阻。图2 7 中的交叉耦合结构就可等效为一个负阻。当交叉耦合振 荡器工作在饱和区时可等效为一尺l = - 1 g 。e f t = - - 2 g 。的负电阻。g 。为单个m o s 的跨导，g 。定义为振荡器的交叉耦合管输出的基频电流与振荡器输出电压的比， 此定义既适用于差分对的饱和区，也适用于线性区。在线性区时，交叉耦合管输 出电流不是正弦波，基频电流是指交叉耦合管输出的多阶谐波电流中与振荡频率 同频的振荡电流。当1 g 。r 。时，负电阻一2 g 。给振荡回路补充的能量大于电阻 r 。消耗的能量时，电路开始起振，振幅增加；当幅度超过交叉耦合管的饱和区的 时候，m o s 管的等效跨导g 硝会低于g 。2 而进入非线性限制区；最后g 。够下降到 1 r 。，电路进入稳态振荡。 由于差分信号有着单端信号所无法比拟的优点，以及石英晶体高q 值等优点， 可以考虑采用石英晶体与压控振荡器v c o 的交叉耦合电路相结合的结构，实现 交叉耦合晶体振荡器。 与其他模拟电路一样，振荡器的功耗与相位噪声选择之间存在着折中的关系。 通常在实际应用中，我们要求振荡器的功耗越低越好。然而，为了获得更低的相 位噪声，通常采用增大振荡器输入偏置电流的方法，即牺牲了功耗来降低相位噪 低噪声集成石英品体振荡器设计 声。当然，偏置电流也不是越大越好，随着偏置电流增大，在振荡器的电流限制 区，输出摆幅与电流成正比增大，当电流增大一定的程度，电路将进入电压限制 区，振荡器输出幅度接近v d d ，会导致不能正常工作。同时，石英晶体在长期高 功耗情况下，会恶化振荡器的老化，甚至会导致晶体碎裂【2 7 1 。考虑到以上，偏置 电流也不能设置太大。 相比已发表的c m o s 石英晶体振荡器【2 8 , 2 9 】，交叉耦合振荡器结构能够集成电 路经常使用的双端信号，优越的抑制共模噪声、抖动能力，具有更低的相位噪声 特性，特别是我们最关心的基频附近的近端相位噪声。 硕十学位论文 第3 章晶体振荡器噪声分析 晶体振荡器电路中主要噪声源可以大体上分为两个部分：放大器噪声和谐振 回路