一种用于温度补偿晶体振荡器的芯片设计

摘要

精确频率源是许多电子设备必不可少的组成部分，频率源性能的优劣直接关系到系统的可靠性。随着便携式电子产品的飞速发展，对频率源的要求也越来越高。普通晶体振荡器是最常用的频率源，但由于其振荡频率随温度变化呈近似的三次函数关系，它的应用范围受到了限制。为了获得宽温度范围的精确频率源，通常采用电路对其进行温度补偿。
　　 本文设计了一款温度补偿晶体振荡器(TCXO)芯片，该芯片只需外接一颗石英晶振便可构成TCXO，该芯片分为压控晶体振荡器和模拟温度补偿电路两个部分。其中的压控晶体振荡器的压控电容采用MOS可变电容，实现起来成本低。论文首先研究了石英晶体的特性及等效电路，讨论了TCXO的架构，提出了晶体振荡器频率随温度漂移的解决办法。接着利用HSPICE傅立叶分析的方法研究了MOS在大信号下的电容特性，并采用负电阻起振理论来分析电路起振原理，结合Matlab计算的结果设计了一个宽频率范围的压控晶体振荡器，通过分析和仿真，设计出的压控晶体振荡器压控范围可达±180 ppm，0.6 ms即可完成起振并产生稳定的输出频率，功耗为9 mW。模拟温度补偿部分能够使芯片产生连续的输出频率，本文详细讨论并设计了温度探测电路，带隙基准电路，三次方产生电路，加和电路，修调电路，测试电路。其中的带隙电路采用cascode结构，电源抑制比高。三次方电路采用CMOS工艺，成本低，功耗低。修调电路可对三次函数电压的温度拐点、三次项系数、一次项系数、晶体起振频率等参数进行调整，通过参数的调整，可对不同规格的晶体振荡器进行频率补偿，实现稳定的频率输出。
　　 在完成电路原理分析及电路子模块设计的基础上，本文接下来结合设计的VCXO电路讨论了模拟电路版图设计的一些注意事项，完成了其中的压控晶体振荡器部分的版图设计，并通过了后仿真。整个设计流程基于HSPICE仿真工具、Cadence集成电路设计环境。