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1、华中科技大学 硕士学位论文 一种用于温度补偿晶体振荡器的芯片设计 姓名：肖鹏 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：徐静平 20090525 华中科技大学硕士学位论文 I 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
2、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
3、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 HSPI
4、CE 仿真工具、Cadence 集成电 路设计环境。 关键词：温度补偿 带隙 压控晶体振荡器 三次方产生电路 修调电路 华中科技大学硕士学位论文 II Abstract Precise frequency source has been the essential part of many electronic devices and its performance always effects the system reliability. With the rapid development of the portable electronic products, the requirem
5、ents for frequency source have been more and more precise. Quartz crystal oscillator is mainly used as frequency source. But as its oscillator frequency deviates from temperature approximately as a 3Prd P order curve, the temperature application range is restricted. In order to obtain a precise freq
6、uency source with wide temperature range, we usually compensate the deviation through a temperature compensation circuit. In this paper, a temperature compernsation crystal oscillator (TCXO) chip was designed. To achieve low cost, the MOS varactor was chosen to be the voltage control capacitance. HS
7、PICE Fourier analysis and negative resistance theory combining with the calculated result by matlab was respectively used to explain large signal behavior of MOS varacor characteristics and to design the start- up circuit. And VCXO with good performance including wide voltage controlled range up to
8、180 ppm, fast start- up of 0.6 ms, low power passipation of 9 mW was achieved. The analog circuits made the output frequency continuous, the design of temperature compensation circuit included several modules: temperature detection circuit, cubic generation circuit, adding circuit, tuning circuit an
9、d testing circuit. The cascode was chosen in badgap so as to improve the PSRR. CMOS process was used in cubic generation circuit to get low cost and low power passipation. Besides, the tuning circuit can adjust some parameters to adapt variety of quartz crystal compensation and to have stable output
10、 frequency, such as temperature inflexion of 3rd order voltage, the 3rd order coefficient, the 1st order coefficient, start- up frequency. On the basis of the study and analysis of sub- modules design ,the principles of analog TCXO layout was then expounded and the VCXO layout design was given. The
11、EDA tools used in the design included the Cadence Virtuoso, the simulation tool- HSPICE. Keywords: Temperature compensation Band gap Voltage- controlled crystal oscillator Cubic generation Circuit Tuning circuit 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过
12、的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 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，即： 学校有权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。 本人授权华中科技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。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年
13、 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华中科技大学硕士学位论文 1 1 绪 论 1.1 研究背景 上世纪 20 年代初，第一颗石英晶体振荡器问世，迄今已有 80 多年，石英晶体振 荡器由于具有低成本、高精度、高一致性和高稳定性等诸多优点，是当今电子设备不 可缺少的关键部件1。它已经广泛地应用于国民经济的各个方面，并深入到每一个家 庭，如市话和长途通讯，地面、航海和航空移动目标通讯，雷达导航测控，卫星通讯， 卫星地面站，全球卫星导航定位系统，广播电视系统，均需采用各类晶体振荡器作为 标准频率信号源；再如近代物理实验，射电天文，精密频率综合器、精密时频计量等 电子仪器，皆有赖于高稳晶振提供精密
14、的频标和时基；再如，作为精密时频一级标准 的地面和星载原子钟，也必须采用高性能的晶体振荡器，否则，就难以构成最佳性能 的一级原子频标P2 P。总之，在现代电子系统设备以及精密时频计量等频率控制和管理 的领域中晶体振荡器已获得了广泛的应用3- 7。 石英晶体的作为晶体谐振器具有以下一些优点： 压电效应：将压应力施加于石英材料会产生相应的电位。相反，在石英片上下表 面中接入电势差能够引起晶片振动。通过控制材料的几何形状，能够控制晶片的振动 速率或频率8。 温度系数低：温度变化时，石英晶体特性十分稳定。其频率随温度变化产生的漂 移为 10- 50 ppm。 低损耗（高 Q 值） ：石英晶体展现了卓越
15、的老化滞后现象。换句话来说，随着时 间的增长，产品仍可以稳定工作。 牵引度：石英晶体有一定的牵引度范围。可以仅仅通过改变振荡电路的电容负载 使振荡频率发生变化。 自然界产量丰富：在地壳中最常见的矿物中，石英晶体位居第二，长石位居第一。 开采的材料被称为石英原矿，可以在近地壳表面找到。 华中科技大学硕士学位论文 2 能够再生：石英晶体可以进行人工合成。石英原矿在高压釜中经过加工，可生长 成高纯度和完美的石英晶体条。 重复处理技术：先进的制造技术及严格的误差控制可确保极高的精度。 表 1- 1 石英晶体在电子学上的应用9 军用和航天应用 工业应用 民用 通讯 导航 敌我识别系统 雷达 传感器 制导
16、系统 引信 电子战 声纳浮标 通讯 电视通讯 轻便式、分区式、手提式无线电设 备和电话 航空、航海 导航 仪器 计算机 数字系统 阴极射线显示器 软盘 调制解调器 标签/标志 公用事业 传感器 手表和钟 无线电话 家用电话 无线电设备和高频设备 彩电 便携电视系统 家用计算机 VCR 和电视摄象机 业余无线电台 玩具和游戏机 起搏器 其他医用设备 1.2 各种类型振荡器 随着电子技术的发展，对频率源的要求也越来越高，石英晶体的共振频率会随着 温度、湿度、压力、时间等因素的改变而改变，限制了它的应用范围，为了满足各种 用途的需要，衍生发展出各种类型的振荡器9, 10，有(XO)石英晶体振荡器、(VCXO) 压控晶体振荡器、(TCXO)温度补偿晶体振荡器、(OCXO)恒温控制晶体振荡器。目前 发展中的还有 （DCXO） 数字补偿式晶体振荡器、 （MCXO） 微机补偿晶体振荡器等等。 XO石英晶体振荡器，这是一种简单的晶体振荡器，通常称为钟振，这种振荡器 没有采取温度补偿措施，在整个温度范围内，晶振的
