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1、上海交通大学 硕士学位论文 基于CMOS工艺的射频收发器内（数控）晶振的研究 姓名：梅华灯 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：周健军 20080101 上海交通大学硕士学位论文 摘 要摘 要 由于 GPS/GSM/3G/WLAN 等通讯技术的发展,对低成本、高精度、 高稳定、集成化晶体振荡器的需求迅猛攀升。全集成片上数控晶振 (Digitally Controlled Crystal Oscillator ,以下简称 DCXO)，借助射频系统 接收基站发送的频率校正信号而产生的 AFC(Automatic Frequency Control)信号直接控制电容阵列，对抗频率漂移，有
2、替代昂贵 TCXO/VC-TCXO 的巨大潜力。 中国晶振产业规模庞大，但产值低下，亟需通过对高端晶振的研究 提升附加值，实现产业升级，而 3G 和无线局域网的发展前景决定了 DCXO 的巨大价值。但目前，国内对 TCXO 的研究刚刚开始，尚无关 于 DCXO 的文献。本文通过对 CMOS 工艺晶体振荡器、自动振幅控制 电路、数控电容阵列的设计及 DCXO 调谐原理的研究，构建一个基本 的 DCXO 系统。在研究中，探讨了晶体谐振器等效电路模型及其理想 与非理想特性，CMOS 工艺三点式振荡器结构与电路设计，Santos 型晶 振在起振阶段的小信号分析与大信号稳态分析，非对称差分 ALC 电路
3、 的设计与改进，晶振相位噪声及其优化，数控电容阵列整体和单元设计 等等，特别是，建立了 Santos XO 大信号模型，并借助该模型求出了晶 体参数、目标振幅、偏置电流和器件尺寸等之间的确定数量关系，针对 晶振电路设计的随意化倾向，发展了一种确定性方法，取代晶振电路设 计传统中电路参数主要靠猜测、尝试的经验方法，在设计性能、功耗、 面积时有更多的预先规划余地， 其结论也可推广到其他种类的振荡器设 计。 本设计基于 TSMC 0.18um Mixed/RF 1P6M CMOS 工艺，10MHz 晶 体谐振器，采用改进的 Colpitts(本文称之为 Santos)振荡主电路，和一种 不对称差分
4、ALC(Automatic Level Control)电路， 调谐目标范围和目标精 度分别为20ppm 和 0.1ppm/step 的数控开关电容阵列；仿真结果表明， 负载情况下，可取得峰峰值 0.8V，相位噪声-117.6dBc/Hz1kHz, -131.8dBc/Hz10kHz, -167.1dBc/Hz1MHz, 总平均电流小于 3.22mA。 关键词：数控晶振，晶体振荡器，相位噪声，自动振幅控制电路， 调频，开关电容阵列 上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT The demands of low-cost, high-purity, highly-stable, fully i
5、ntegrated crystal oscillator, i.e. XO, increased sharply, due to the rapid growth of modern wireless communication such as GPS/GSM/3G/WLAN. Fully Integrated Digitally Controlled Crystal Oscillator, i.e. DCXO, can utilize the Automatic Frequency Control Signal, i.e. AFC on capacitor array, which is g
6、enerated by the receiver from Frequency Correction Signal sent by Base Station, to adjust oscillating frequency preventing the frequency floating. Thus gives DCXO a great potential to replace the expensive TCXO/VC-TCXO. China has a large scale crystal oscillator industry, but economically its value
7、is very poor, which called for more researches on high-level products, while the potential of 3G/WLAN strengthens the economic value of DCXO intellectual property. However, the domestic academic institutes have just initiated the research on TCXO, and havent issued any paper on DCXO. This thesis ini
8、tiated a basic DCXO system through the design of CMOS XO, Automatic Level Control Circuitry, Switched Capacitor Array, and the tuning theory of DCXO, etc. Main topics concern about the equivalent model of crystal resonator, its ideal and non-ideal resonating features, structure and circuits of 3-poi
9、nt CMOS XO, the small signal and large signal analysis of Santos XO, the Asymmetric differential pair ALC, the phase noise and its optimizations, the general and specific design of switched capacitor etc. Especially, this thesis created a deterministic methodology for XO design through the composing
10、 of large signal model of Santos XO, which led to the deterministic relationship among resonator parameters, oscillating amplitude, bias current, and transistor size. This can replace the traditional empirical method of XO deisign, ensuring more controls on chip performance, area and power consumpti
11、on. The design based on TSMC 0.18um Mixed/RF 1P6M CMOS process, 10MHz crystal resonator, and adopted improved Colpitts (called Santos in this thesis) oscillating core, asymmetric differential pair ALC circuitry, and a switched capacitor array with 20ppm tuning range and 0.1ppm/step 上海交通大学硕士学位论文 prec
12、ision. The simulation shows that the oscillator can produce 0.8v peak to peak output voltage while the phase noise are about -117.6dBc/Hz1kHz, -131.8dBc/Hz10kHz,-167.1dBc/Hz1MHz, with the total average current consumption under 3.22mA. KEY WORDS: DCXO, Crystal Oscillator, Phase Noise, Automatic Leve
13、l-Control, Frequency Tuning, Switched Capacitor Array 上海交通大学硕士学位论文 图片目录 图 1 基于FCCH的AFC晶振主动调频示意图 14 图 2 晶体谐振器结构图(左)与示意图、符号右 3 18 图 3 晶片机械变形模式 15 . 19 图 4 晶体谐振器的常用等效模型(串联支路为真正谐振部分) . 20 图 5 晶体谐振器的理想谐振曲线 . 21 图 6 普通串联、并联RLC频率响应曲线 . 21 图 7 晶体谐振器电路的“Splitting Analysis”原则 22 图 8 晶体谐振器阻抗的频率响应曲线 23 图 9 晶体谐振
14、完整的理想电抗特性 15 . 24 图 10 石英晶片频率温度特性：常用切型和多切角AT切型 16 25 图 11 晶体老化可能的三种路径 15 26 图 12 不同激励电平对谐振特性的影响 15 26 图 13 晶体谐振器在非理想因素干扰下的“近似理想”工作状态 15 27 图 14 振荡器的正反馈模型(左)和负阻抗模型(右) . 28 图 15 晶体振荡器经典结构 29 图 16 三点式晶体振荡器的三种实用结构 31 图 17 理想、实际振荡器的输出波形 15 34 图 18 振荡信号相位偏差测量系统 35 图 19 DCXO振荡主电路总体设计 . 38 图 20 Santos XO核心振
15、荡电路 40 图 21 Santos XO核心振荡电路的小信号模型 41 图 22 Santos振荡电路的简化模型 . 42 图 23 三点式振荡器小信号阻抗的复平面图 24 44 图 24 晶体谐振器的频率拉动系数 46 图 25 MOS管的IDS-VGS和gm-Vov特性曲线 47 图 26 MOS管Overdrive电压的设置 . 48 图 27 Santos XO的大信号分析示意图 49 图 28 晶体谐振器的等效电阻与电感 . 50 图 29 Santos XO的电压反馈模型(大信号) 50 图 30 主工作管M1非线性增益的平均化等效 51 上海交通大学硕士学位论文 图 31 Sa
16、ntos XO主工作管的电压与电流 51 图 32 主管M1尖峰工作电流的近似等效 52 图 33 主管导通角(横轴)与振荡幅度系数(纵轴)的关系 . 54 图 34 主工作管导通角(纵轴)与尺寸系数(横轴)的关系 . 56 图 35 主工作管尺寸(纵轴)与导通角(横轴)在不同偏置电流下的关系 . 56 图 36 主工作管大信号平均增益(横轴)与导通角(纵轴)的关系 . 57 图 37 大信号平均增益系数(纵轴)与管子尺寸系数(横轴)的关系 . 58 图 38 不同偏置电流下管子宽长比(左纵轴)与大信号Gm(横轴)的关系 . 58 图 39 管子宽长比乘以偏置电流后(左纵轴)与大信号Gm(横轴)的关系 . 59 图 40 不同偏置电流下自由振荡幅度(右纵轴)与大信号平均增益的关系 . 59 图 41 自由振荡幅度(左纵轴)与偏置电流及导通角的关系 . 60 图 42 自动振幅控制(ALC)原理图 61 图 43 利用MOS管开关特性的非对称差分ALC电路 . 62 图 44 非对称差分管的电压与电流(大信号) .
