CMOS工艺的射频收发器内数控晶振的研究

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摘要
. f! v' ]8 J( C  `* F由于GPS/GSM/3G/WLAN等通讯技术的发展，对低成本、高精度、
. D- t. _, D" g- V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
5 e$ `8 g' F. ?* n接收基站发送的频率校正信号而产生的AFC(Automatic Frequency
0 F" v8 Y" f- @& w. OControl)信号直接控制电容阵列，对抗频率漂移，有替代昂贵
5 v4 X2 R  I) c' z+ X5 l# M: ?TCXO/VC-TCXO的巨大潜力。
. V) e0 x. F- {2 M" Q# |, W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和无线局城网的发展前景决定了
$ E4 D. U& _5 uDCXO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
. w4 U/ H& r' f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
- f1 F; I1 Z# t6 P% x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
$ r, J- x* s+ X& Y! r% c8 I) G, i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
1 i# b9 k  Z# x! ?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
8 ]) [+ Y) w0 d- C7 n. `等等，特别是，建立了Santos XxO大信号模型，并借助该模型求出了品
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
& F1 g6 u  L( f' ~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
+ g* p% Z+ u7 ^8 t2 U# L2 g* J/ j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、
  J- }; ~: u4 z( [) H+ r! V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Colpitt(本文称之为Santos)振荡主电路，和-种
7 F4 X2 m% z0 K0 C7 J7 m' E( s不对称差分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，
4 R5 ?$ ~; c( V负载情况下，可取得峰峰值0.8V， 相位噪声-117.6dBe/Hz@1kHz,
-131.8dBc/Hz@ 10kHz, -167. ldBc/Hz@1MHz,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，
! F7 [$ a/ I+ x# S7 n调频，开关电容阵列

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( D( f* z7 Z& v

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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Colpitt(本文称之为Santos)振荡主电路，和-种/ L, 不对称差分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