振荡器相位噪声的ADS仿真优化.doc

韩金瑞等：振荡器相位噪声的ADS仿真优化振荡器相位噪声的ADS仿真优化韩金瑞，黄显核(电子科技大学自动化工程学院，成都，611731，) 摘要：实际中通常希望通过计算机仿真的方法来预测振荡器的相位噪声，以便为实际振荡器的分析设计提供指导。本文从Leeson模型出发，分析了高Q晶体振荡器相位噪声的特性及在电路中的规律，并深入研究了影响振荡器闪烁噪声的器件参数及其提取方法。以50MHz振荡器电路设计为例，采用Agilent ADS进行计算机仿真得出电路的相位噪声曲线图，并将其优化。根据仿真结果做出实际的电路，得到实测的相位噪声曲线。仿真和实测结果显示考虑了器件参数影响的相位噪声仿真曲线更好得符合了Leeson模型。关键词：晶体振荡器；相位噪声；参数提取中图分类号：TB556 文献标识码：AOptimization of ADS Simulation on Phase Noise in OscillatorHAN Jin-rui, HUANG Xian-he(School of Automation, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)Abstract: We always hope to predict the phase noise in oscillator through computer simulation,this work will supply a direction for our analysis and design on oscillators.In this paper,we will analyse the characteristics and regular of phase noise in high Q crystal oscillator from the Leeson model.Further research will be focused on device paramaters that influence flicker noise and the parameter extraction technique.Take a 50MHz oscillator as an example,the phase noise curve could be obtained and optimized by the computer simulation.Finally,we worked out the real circuit and got the measured phase noise curve.A good agreement between simulated data and Leeson model was achieved.Key words: crystal oscillator;phase noise;paramater extraction 11 引 言收稿日期：2010-06-01；修回日期：2011-06-15基金项目： 作者简介：韩金瑞（1987-），男，山东省聊城人，汉族，电子科技大学自动化工程学院硕士研究生，研究方向为时频检测和控制。通讯作者：韩金瑞，。随着信息产业的发展，各种振荡器的使用也越来越广泛。在通信、邮电、航空航天、电子、仪器仪表等等的设备中，振荡器输出频率的稳定度对设备的性能往往起决定性作用。而相位噪声就是频率信号的短期稳定度，它从频域的角度来表示频率信号的短期稳定度。现代计算机技术（如Agilent ADS）为振荡器相位噪声的精确仿真和设计提供方便。本文从Leeson相位噪声模型出发，以50MHz晶体振荡器设计为例，着重分析影响振荡器闪烁噪声的晶体管参数和,并提出一种、提取方法。借助ADS仿真结果和实测结果，我们对利用该提取方法得到的器件噪声参数有效性进行了验证。2振荡器噪声研究 振荡器的噪声是由于随机的以及不确定的噪声共同作用产生的。一些因果信号导致振荡器频率的长期不稳定性，是一种慢变过程；而相位噪声则是由于系统内部各种不确定噪声作用下所引起的信号相位的随机起伏，是一种频率短期稳定性。相位噪声的随机性使得在任一瞬间不能预知其精确大小，导致振荡器输出信号中存在无用的信号幅度和频率的起伏，这是极其有害的。因此，在设计电路前必须分析这些噪声的特性及其在电路中的规律。1966年D.B.Leeson提出了反馈振荡器模型1。G.Sauvage于1977年从数学上证明了该模型是有效的、正确的，并且给出了比李森模型更为通用的数学表达形式2。反馈型振荡器Leeson模型如图1所示3。图1 反馈型振荡器的Leeson模型Fig.1 Leeson model of feedback oscillator显然，模型是一个相位正反馈系统，它由放大器和作滤波用的谐振回路组成。在振荡器稳定工作的条件下，根据模型可得到相位反馈表达式为 （1）注意，图1中的谐振回路通常是一个RLC电路，即带通回路，根据信号传输理论可知：一个带限的已调制RF带通信号，通过一个带通滤波器的传输函数就等于调制信号通过该带通传输函数的等效低通滤波器的传输函数。结合放大器内部相位噪声谱密度与振荡器输出端相位噪声谱密度之间的关系，可以推导出输出取自放大器输出端的振荡器功率谱密度函数3为： （2） （3） 式中：振荡器相位起伏谱密度， 放大器输入端的相位起伏谱密度 有载品质因数，拐角频率， 振荡中心频率，偏离载频频率 输入激励功率，噪声指数， 玻尔兹曼常数， 绝对温度。根据单边带相位噪声和振荡器输出功率谱密度之间的关系及闪烁噪声拐角频率与谐振回路半带宽的关系，我们可以得出高谐振回路的单边带相位噪声解析表示式如下3： （4）在这里我们可以将相位噪声与傅立叶频率的关系式表示为4：（5）不难看出高振荡器Leeson模型中存在（闪烁频率噪声），（闪烁相位噪声），（白相位噪声）。可见，产生于低频段的闪烁噪声，由于频谱搬移的影响，会对整个电路的输出相位噪声造成影响。3 闪烁噪声影响参数 闪烁噪声又称为噪声、低频噪声，是由半导体表面氧化层中的陷阱对载流子的产生与复合进行调制的结果，即由载流子数起伏所引起。这种噪声的电流均方值与频率之间近似有反比关系，常用一次反函数表示。3.1 影响晶体管闪烁噪声的器件参数 作为一种有源半导体器件，晶体管是振荡器内部闪烁噪声的主要来源。为了便于分析晶体管内部的闪烁噪声，我们选取一种双极结型晶体管低频等效电路，如图2所示5。图2 包含输入输出端口的双极结型晶体管等效电路Fig.2 Equivalent circuit of a BJT,including input and output terminations通常双极结型晶体管的噪声特性是由多种噪声源决定的，如果我们只关注噪声，则主要噪声源分布在基极-发射结上。因此，在大多数电路仿真系统中，闪烁噪声利用和基极-发射结并联的噪声源（图2中的）来模拟，如标准SPICE Gummel-Poon模型和新的工业标准VBIC模型。该噪声源模型可表示为： （6）式中为噪声指数，为噪声系数，为基极直流电流。和就是我们用来建模的噪声参数。3.2 噪声模型参数提取噪声模型参数描述的是低频噪声，常用的的提取方法通常要考虑拐角频率，即噪声水平等于白噪声所对应的频率。对于测量得到的拐角频率，我们可以利用（7）式得到闪烁噪声的固有拐角频率 （7）式中： 测量得到的拐角频率 热电压（） 外部输入电导系数 直流偏置基极电流此处我们选用的这种形式是为了保持由闪烁噪声和散弹噪声起主导作用的输出噪声特性的测量结果有效性。一般来说，我们可以通过在两个不同的基极电流下测量相应的拐角频率，利用式（8）即可得到和。 （8）该参数提取方法仅需要测量闪烁噪声拐角频率及直流偏置基极电流，提取方法简单易行。3.3 噪声参数提取系统建立为了提取晶体管低频噪声参数，我们要在两个基极电流偏置条件下测量拐角频率，图3给出了测量的原理图。图3 1/f噪声测量系统框图Fig.3 1/f noise measurement system setup图中输入偏置通过一低通滤波器连接到晶体管基极和集电极，该滤波器主要是消除偏置源的线噪声，50 Ohm电阻是为了确保放大器的高频稳定性。晶体管输出闪变噪声通过动态信号分析仪测量，从而确定测量的拐角频率。4 相位噪声计算机仿真和实测结果振荡器相位噪声的计算机仿真，是通过编制线性频域电路的分析程序实现的。基于此编写的ADS仿真软件是Agilent公司的专用高频电路仿真软件，我们用它对电路进行仿真，仿真用的晶体振荡器电路原理图如图4所示。图4 ADS仿真用电路原理图Fig.4 The circuit schemetics for ADS simulation为了更好得验证提取的闪烁噪声的器件影响参数，我们在原理图中引入了一个噪声电压源，该噪声源可表示为： （11）式中的为噪声电压源电压参数，为噪声频率。通过在ADS中运行谐波平衡仿真，比较仿真结果我们可以得到最优的值。通过运行谐波平衡仿真，我们得到未考虑噪声参数的输出相位噪声曲线，如图5所示。从图中可知，在较小频偏处的相位噪声曲线，其频率特性满足特性，而这是由白噪声造成的，并没有加入闪烁噪声，和Leeson噪声模型相差较大。图5 未考虑1/f噪声参数的相位噪声仿真曲线Fig.5 The simulation curve without consideration of 1/f noise parameters图6 考虑1/f噪声参数及噪声源的相位噪声仿真曲线Fig.6 The simulation curve withconsideration of 1/f noise parameters and noise voltage source利用前面提到的提取方法，我们对图4中用到的放大器晶体管模型进行噪声参数提取。将提取到的噪声参数及噪声电压源加入到仿真电路中得到的相位噪声曲线如图6所示。从图中可以看出，该结果满足了Leeson模型中的三段特性。进一步的验证可以借助惠普公司的E5500相位噪声测试系统来测量图4中振荡器的相位噪声，实测得到的相位噪声曲线如图7所示。由图可见该振荡器的相位噪声符合Leeson噪声模型，并且与图6中的仿真结果保持一致。图7 50MHz晶体振荡器实测相位噪声曲线Fig.7 Phase noise curve for actual 50MHz crystal oscillator5 结论 本文主要从Leeson相位噪声模型的角度来进行晶体振荡器的分析设计,实验结果显示，Leeson 模型和实际结果比较接近，是比较有效的。这里我们将理论模型、计算机仿真和实际调试相结合，着重分析了计算机仿真中影响相位噪声输出结果的有源器件参数，并提出了一种提取该参数的有效、简单的方法。利用该方法提取的噪声参数的ADS仿真结果显示，该相位噪声结果符合相位噪声Leeson模型和实测结果，对相位噪声预测具有一定指导意义。虽然取得了一定的进展，但利用计算机仿真结果直接指导实际振荡器设计仍存在很多问题，仍然有很多工作要做。参 考 文 献1 Leeson D B. A Simple Model of Feedback Oscillator Noise SpectrumJ. IEEE,1966;54:329-330.2 Sauvage G. Phase Noise in Oscillator:A Mathematical Anal- -sis of Leesons ModelJ.IEEE Trans Instru Meas ,1977;IM -26(4).3 白居宪. 低噪声频率合成M. 西安：西安交通大学出版社，1994. Juxian Bai.Low Noise Frequency SynthesisM. Xian: Xian Jiaotong University press,1994.4 赵声衡. 石英晶体振荡器M.长沙：湖南大学出版社，1997. Shengheng Zhao. Quartz Crystal OscillatorM. Changsha: Hunan University Press,19975 F.X.Sinnesbichler,M.Fischer,G.R.Olbrich.Accura