20M低相位噪聲晶體振蕩器的設計

本文采用SMIC0.18μm工藝設計了一種20MHz的晶體振蕩器。該晶體振蕩器由振蕩主電路、振蕩幅度控制電路兩部分組成，具有較好的相位噪聲性能和較低的功耗。除石英晶體外，振蕩器電路全部集成在片上實(shí)現，可以作為整個(gè)射頻芯片的高精度頻率源。

　　1 電路原理及設計

　　1.1 石英晶的模型和原理

　　本文采用的諧振晶體是石英晶體。按一定的方向將石英切成很薄的晶片，再將晶片兩個(gè)表面拋光涂銀并引出管腳加以封裝，就制成了石英晶體。這種石英晶體薄片受到外加交變電場(chǎng)的作用時(shí)會(huì )產(chǎn)生機械振動(dòng)，當交變電場(chǎng)的頻率與石英晶體的固有頻率相同時(shí)，振動(dòng)便變得很強烈，這就是晶體諧振特性的反映。石英晶體的電子模型如圖1所示，是串并聯(lián)的LRC電路，其阻抗表達式為：

　　RsLsCs組成串聯(lián)諧振支路，決定了串聯(lián)諧振頻率

，串聯(lián)電阻Rs模擬晶體的等效電阻，Cp是晶體兩塊平板之間的電容，也包括了封裝電容和焊接電容。

　　本文采用的20M晶體模型為：Ls=6.3mH，Cs=10fF，Rs=40Ω，Cp=5pF。

　　圖1石英晶體的等效模型

　　圖2表示的是晶體的頻率特性，可以看到該晶體存在著(zhù)串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振兩個(gè)諧振點(diǎn)，在振蕩時(shí)晶體就工作在這兩個(gè)諧振點(diǎn)之間，表現為電感特性。

1.2 晶體振蕩器的基本原理

　　晶體振蕩器的實(shí)現方式有很多種，最常見(jiàn)的是三點(diǎn)式結構，如圖3。

　　根據巴克豪森準則，采用負阻模型來(lái)分析振蕩的啟動(dòng)條件：一個(gè)振蕩器如果要起振，所有的阻抗之和必須小于等于0。對于晶體振蕩器來(lái)說(shuō)，工作在振蕩頻率時(shí)，除晶體之外的其余電路必須表現為一個(gè)負阻以補償晶體的串聯(lián)電阻Rs。

　　Zs表示的是晶體的串聯(lián)支路的阻抗，Zc為其余電路阻抗之和，滿(mǎn)足振蕩的臨界狀態(tài)為：Zs+Zc=0，

　　由此可以得到能起振的gm的最小值。

　　根據晶體接入點(diǎn)偏置點(diǎn)的不同，晶體振蕩器可以分為皮爾斯(Pierce)振蕩器、科爾皮茲(Colpitts)振蕩器、桑托斯(Santos)振蕩器三種結構。本文設計的晶體振蕩器采用的是Santos結構。Santos結構中晶體從主振蕩管的柵端接入，由于是單端接入，所以可以節約引腳，另外Santos結構也比較容易起振。

　　1.3 具體電路設計