低噪声、高精度CMOS石英晶体振荡器设计

摘要

随着信息技术的发展，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。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LC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。
　　本文基于Nuvoton0.35μm5V标准CMOS工艺，设计了一种具有低噪声、高精度的CMOS交叉耦合结构晶体振荡器。采用CMOS交叉耦合对产生负阻，补偿晶体振荡需要的能量，并增加共模反馈为晶体振荡电流提供一个稳定的直流工作点，并加入预抑制电路和高通滤波器降低电路的噪声。同时，为了晶体振荡器能工作在更稳定的状态，设计了一款基于BJT的带隙基准电压源提供偏置电压、偏置电流。在此基础上，设计了一款低压差线性稳压器为晶体振荡电路供电。
　　基于NUVOTON0.35μm CMOS工艺，利用Cadence Spectre对电路进行仿真，结果表明:在电源电压为4.5V时，该振荡器的起振时间约为1.5ms，输出波形峰-峰值为1.08V，输出直流电平约为801.6mV，输出信号频率为20MHz，频率稳定度在室温下为95ppm，在VDD=4.05V、VDD=4.95V、T=-25℃、T=85℃的情况下，频率稳定度分别为92ppm、83ppm、77ppm、76ppm。相位噪声可以达到-143dBc/Hz@1kHz、-165dBc/Hz@10kHz、-177dBc/Hz@1MHz
　　基于NUVOTON0.35μm CMOS工艺，利用Laker工具完成版图的设计，利用Hspice对版图进行仿真，结果表明:在电源电压为4.5V时，该振荡器的起振时间约为2.5ms，输出波形峰-峰值为0.939V，输出直流电平约为752mV。输出信号频率为20MHz，频率稳定度在室温下为80ppm，在VDD=4.05V、VDD=4.95V、T=-25℃、T=85℃的情况下，频率稳定度分别为81ppm、79ppm、71ppm、66ppm。相位噪声可以达到-132dBc/Hz@1kHz、-156dBc/Hz@10kHz、-169.2dBc/Hz@1MHz。并完成了流片与测试，该石英晶体振荡器的输出频率为20MHz。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 研究意义

1．4 论文内容以及工作安排

第二章 石英晶体振荡器基本原理分析

2．1 石英晶体

2．1．1 石英晶体物理特性

2．1．2 等效模型

2．2 晶体振荡器与相位噪声分析

2．2．1 晶体振荡器模型

2．2．2 相位噪声

2．2．3 Leeson相位噪声模型

2．3 传统振荡器

2．4 本章小结

第三章 CMOS交叉耦合石英晶体振荡电路设计

3．1 CMOS交叉耦合振荡器

3．1．1 主振荡电路

3．1．2 预抑制电路

3．1．2 相位噪声优化

3．1．3 仿真

3．2 带隙基准电压源

3．2．1 误差放大器

3．2．2 带隙基准电压源

3．2．3 仿真

3．3 低压差线性稳压器

3．3．1 低压差线性稳压器

3．3．2 仿真

3．4 整体电路仿真与分析

3．5 本章小结

第四章 版图设计与流片测试

4．1 版图设计规则

4．1．1 走线

4．1．2 匹配

4．1．3 闩锁效应

4．2 CMOS交叉耦合振荡器

4．2．1 版图设计

4．2．2 后仿真

4．3 带隙基准电压源

4．3．1 版图设计

4．3．2 后仿真

4．4 低压差线性稳压器

4．4．1 版图设计

4．4．2 后仿真

4．5 整体版图及仿真

4．5．1 芯片版图

4．5．2 后仿真

4．6 测试结果与分析

4．7 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录