第一章概述 第一章 概述 1.1研究目的 石英晶体振荡器以其杰出的频率稳定性能被广泛应用于各种领域，包括电 脑和电器时钟脉冲源，在射频通讯中，广播电视和计算机网络等的标准信号源， 全球定位系统，蓝牙和无线局域网等现代化通信系统的高性能基准频率源等等。 晶振在现代通信中的地位举足轻重，其性能直接影响到整个电子系统的指标优 劣。 随着移动通信、导航和无线局域网等现代通讯系统对扩频调频等原理的利 用，现在的频谱资源越发紧张，射频电路对基准频率准确性的要求越来越高。 普通晶振(XO)由于存在频率随温度漂移和老化等现象，无法适应系统对频率长 期稳定性的要求，为此出现了对频偏进行校正的温度补偿晶振(TCXO)。随着通 信技术的发展，众多现代通讯协议都具有频率校正信道(FCCH,Frequency Control Channel),基站通过此信道以一个极高精度的频率参考源不断发送 FCB(Frequency Control Burst)),终端设备检测此信号产生自动频率控制信号 (AFC,Automatic Frequency Control),对本地晶振频率进行校准，这就要求晶 振必须具备实时调谐功能，由此在TCXO基础上产生了压控式温度补偿晶振 VCTCXO).AFC信号施加在模拟变容器件上，实现频率的精细调节。VCTCXO 以其优良的长期和短期频率稳定性在射频系统中得到广泛使用。 与此同时，芯片利润的下降使芯片成本受到关注。图1-1（给出了 VCXO(VCTCXO)在手持设备中的典型应用。随着CMOS工艺向45-nm发展， 片上系统(System on Chip)也在不断推进，在CMOS工艺上能够集成数字基带， 模拟基带甚至射频电路，如图1-1(b)所示。为了降低成本，实现更高集成度的 射频收发系统，一个更经济且更直接的方法是将VCTCXO功能集成到射频芯 片中，除晶体外的所有器件整合到片内，模拟变容管由数字电容阵列取代以方 便AFC的直接调频。这就是数控晶体振荡器(DCXO)迅速成为研究热点的原因 之一[1][2][3]. 基于CMOS工艺的DCXO设计的难点主要在于：1)低相位噪声，尤其是 低频偏下的相位噪声。在频率综合器中，参考时钟晶振的噪声传输特性是低通 的，因此频综低频偏处的相位噪声主要来自晶振。CMOS工艺由于其拙劣的 1/仟噪声性能使得低噪声设计变得较为困难。2)高频率精度。现代通信协议，如 GSM标准要求接收和发送的频率误差不超过0.1ppm,用数字电容阵列取代模 拟变容管后如何保证频率变化的高精度是另一个值得研究的难点
第一章 概述 1 第一章 概述 1.1 研究目的 石英晶体振荡器以其杰出的频率稳定性能被广泛应用于各种领域，包括电 脑和电器时钟脉冲源，在射频通讯中，广播电视和计算机网络等的标准信号源， 全球定位系统，蓝牙和无线局域网等现代化通信系统的高性能基准频率源等等。 晶振在现代通信中的地位举足轻重，其性能直接影响到整个电子系统的指标优 劣。 随着移动通信、导航和无线局域网等现代通讯系统对扩频调频等原理的利 用，现在的频谱资源越发紧张，射频电路对基准频率准确性的要求越来越高。 普通晶振(XO)由于存在频率随温度漂移和老化等现象，无法适应系统对频率长 期稳定性的要求，为此出现了对频偏进行校正的温度补偿晶振(TCXO)。随着通 信技术的发展，众多现代通讯协议都具有频率校正信道(FCCH, Frequency Control Channel)，基站通过此信道以一个极高精度的频率参考源不断发送 FCB(Frequency Control Burst)，终端设备检测此信号产生自动频率控制信号 (AFC, Automatic Frequency Control)，对本地晶振频率进行校准，这就要求晶 振必须具备实时调谐功能，由此在 TCXO 基础上产生了压控式温度补偿晶振 (VCTCXO)。AFC 信号施加在模拟变容器件上，实现频率的精细调节。VCTCXO 以其优良的长期和短期频率稳定性在射频系统中得到广泛使用。 与此同时，芯片利润的下降使芯片成本受到关注。图 1-1(a)给出了 VCXO(VCTCXO)在手持设备中的典型应用。随着 CMOS 工艺向 45-nm 发展， 片上系统(System on Chip)也在不断推进，在CMOS 工艺上能够集成数字基带， 模拟基带甚至射频电路，如图 1-1(b)所示。为了降低成本，实现更高集成度的 射频收发系统，一个更经济且更直接的方法是将 VCTCXO 功能集成到射频芯 片中，除晶体外的所有器件整合到片内，模拟变容管由数字电容阵列取代以方 便 AFC 的直接调频。这就是数控晶体振荡器(DCXO)迅速成为研究热点的原因 之一[1][2][3]。 基于 CMOS 工艺的 DCXO 设计的难点主要在于：1)低相位噪声，尤其是 低频偏下的相位噪声。在频率综合器中，参考时钟晶振的噪声传输特性是低通 的，因此频综低频偏处的相位噪声主要来自晶振。CMOS 工艺由于其拙劣的 1/f 噪声性能使得低噪声设计变得较为困难。2)高频率精度。现代通信协议，如 GSM 标准要求接收和发送的频率误差不超过 0.1 ppm，用数字电容阵列取代模 拟变容管后如何保证频率变化的高精度是另一个值得研究的难点
低相位噪声的数控晶体振荡器设计 VDD HI Volt VCTRI DAC AFC VCXO r Digital BaseBand RF+ABB+DBB GND (a)典型VCXO应用 XⅫ AFC DCXO Digital BaseBand GND RF+ABB+DBB (b)DCXO应用 图1-1(a)典型VCXO应用(b)DCX0应用 本文围绕上述问题，从晶振设计原理到电路实现，详细论述数控晶体振荡 器设计。 1.2研究内容及贡献 本论文着重研究了射频收发机中频率参考源一数控晶体振荡器电路，主要 内容包括晶振的基本理论及实现方式：然后以Santos结构晶振为例，指出了 相位噪声的设计考虑；接着在此基础上分析并实现了数控晶振电路的设计，并 经过流片和测试得到了验证。本文的主要贡献包括： 1)建立了Santos结构晶振的大信号分析模型，详细推导振荡幅度，指出了偏 置电流，振幅和驱动管跨导之间的关系。在此基础上给出了晶振设计的具 体流程。 2)采用数字算法实现的自动幅度控制电路稳定相位噪声性能并优化了功耗。 3)为实现高精度的频率调谐精度，采用△Σ调制器技术实现更高精度的有效 电容。 4)在SMIC0.18-μn CMOS工艺下，设计并实现了一款低相位噪声，高精度 2
低相位噪声的数控晶体振荡器设计 2 (a) 典型 VCXO 应用 (b) DCXO 应用 图 1-1 (a) 典型 VCXO 应用 (b) DCXO 应用 本文围绕上述问题，从晶振设计原理到电路实现，详细论述数控晶体振荡 器设计。 1.2 研究内容及贡献 本论文着重研究了射频收发机中频率参考源—数控晶体振荡器电路，主要 内容包括晶振的基本理论及实现方式；然后以 Santos 结构晶振为例，指出了 相位噪声的设计考虑；接着在此基础上分析并实现了数控晶振电路的设计，并 经过流片和测试得到了验证。本文的主要贡献包括： 1) 建立了 Santos 结构晶振的大信号分析模型，详细推导振荡幅度，指出了偏 置电流，振幅和驱动管跨导之间的关系。在此基础上给出了晶振设计的具 体流程。 2) 采用数字算法实现的自动幅度控制电路稳定相位噪声性能并优化了功耗。 3) 为实现高精度的频率调谐精度，采用 ΔΣ 调制器技术实现更高精度的有效 电容。 4) 在 SMIC 0.18-μm CMOS 工艺下，设计并实现了一款低相位噪声，高精度
第一章概述 的数控晶体振荡器。 1.3论文组织结构 本文针对晶体振荡器在无线通信领域的应用，首先介绍了晶体和晶振的背 景知识，给出晶振的常用分析方法和结构：然后以Santos晶振为例，分析了 电路的小信号模型和大信号模型，并给出了相位噪声的设计考虑。最后给出了 芯片的测试结果及展望。具体组织结构如下： 第二章介绍了晶体和晶振的相关理论知识，包括衡量晶振性能的指标，如 长期和短期频率稳定度和功耗等。给出了晶振分析常用的负阻分析法和三种晶 振结构，分析了各自的优劣。 第三章以Santos晶振为例，分析了电路起振阶段的小信号模型和起振条 件，对大信号下的振荡幅度进行了推导，指出了偏置电流、振幅和驱动管尺寸 之间的关系，确定了晶振的设计流程。 第四章给出了一个低噪声、高精度数控晶体振荡器的设计实例，设计了自 动幅度控制电路和采用△Σ调制器技术的电容阵列。 第五章给出了芯片的电路实现、版图设计及测试结果，并对测试结果做了 分析。 第六章对本文做出了总结，并对今后工作做了展望。 参考文献 [1]J.Lin,"A Low-Phase-Noise 0.004-ppm/Step DCXO With Guaranteed Monotonicity in the 90-nm CMOS process,"IEEE J.Solid-State Circuits,pp.2726-2734,Dec. 2005, [2]Qiuting Huang,Philipp Basedau,"Design Considerations for High-Frequency Crystal Oscillators Digitally Trimmable to Sub-ppm Accuracy",IEEE J.Solid-State Circuits,Vol.5,No.4,Dec.1997. [3]Vishnu Balan,Tzuwang Pan,"A Crystal Oscillator With Automatic Amplitude Control And Digitally Controlled Pulling Range Of +100ppm",IEEE Circuits and Systems, ISCAS 2002,Vol.5,May 2002. 3
第一章 概述 3 的数控晶体振荡器。 1.3 论文组织结构 本文针对晶体振荡器在无线通信领域的应用，首先介绍了晶体和晶振的背 景知识，给出晶振的常用分析方法和结构；然后以 Santos 晶振为例，分析了 电路的小信号模型和大信号模型，并给出了相位噪声的设计考虑。最后给出了 芯片的测试结果及展望。具体组织结构如下： 第二章介绍了晶体和晶振的相关理论知识，包括衡量晶振性能的指标，如 长期和短期频率稳定度和功耗等。给出了晶振分析常用的负阻分析法和三种晶 振结构，分析了各自的优劣。 第三章以 Santos 晶振为例，分析了电路起振阶段的小信号模型和起振条 件，对大信号下的振荡幅度进行了推导，指出了偏置电流、振幅和驱动管尺寸 之间的关系，确定了晶振的设计流程。 第四章给出了一个低噪声、高精度数控晶体振荡器的设计实例，设计了自 动幅度控制电路和采用 ΔΣ 调制器技术的电容阵列。 第五章给出了芯片的电路实现、版图设计及测试结果，并对测试结果做了 分析。 第六章对本文做出了总结，并对今后工作做了展望。 参考文献 [1] J. Lin, “A Low-Phase-Noise 0.004-ppm/Step DCXO With Guaranteed Monotonicity in the 90-nm CMOS process,” IEEE J. Solid-State Circuits, pp. 2726-2734, Dec. 2005. [2] Qiuting Huang, Philipp Basedau, “Design Considerations for High-Frequency Crystal Oscillators Digitally Trimmable to Sub-ppm Accuracy”, IEEE J. Solid-State Circuits, Vol. 5, No. 4, Dec. 1997. [3] Vishnu Balan, Tzuwang Pan, “A Crystal Oscillator With Automatic Amplitude Control And Digitally Controlled Pulling Range Of ±100ppm”, IEEE Circuits and Systems, ISCAS 2002, Vol. 5, May 2002
第二章晶体振荡器概述 第二章晶体振荡器概述 作为频率参考源，晶体振荡器的频率稳定度影响着整个系统的性能。本章 从晶体的物理特性出发，简述了晶振原理，并考察了常用的几种晶振结构，分 析了优劣1[2[3]。最后指出几种影响频率稳定度的要素，总结了DCXO的工 作原理。 2.1晶体特性 晶体的切割方式，封装的极板，振荡电路的设计，环境温度，辐射，外界 加速度，冲击，老化等都会对晶体谐振特性造成影响。其中有的影响频率的长 期稳定度，有的影响短期稳定度，对频率精度和稳定性的扰动各不相同，应根 据应用需求进行针对性的研究。在射频通讯系统中，对晶振的短期频率稳定度 一相位噪声要求苛刻，同时集成晶振对功耗也较为敏感。本文重点对CMOS 工艺下的晶振电路设计问题进行探讨，对涉及高性能晶振产品所需要做的考量 不在本篇论述范围内，深入解决需要涉及较多的晶体知识。尽管如此，仍有必 要介绍一些晶体的相关特性。 2.1.1压电特性 石英晶体属于机械谐振腔，它的谐振依赖于外部施加的激励。由于晶体谐 振器有着极高的品质因素(Q值)，频率稳定度和极低的功耗，被广泛应用于频 率控制和时钟电路。压电特性是指在晶体两端施加机械的压缩或拉伸的力，晶 体两端会产生电压信号；同样的，如果在晶体两端施加电压信号，晶体会发生 形变，形变方向取决于电压极性，如图2-1所示。 Pressure Quartz Quartz Voltage Pressure Applied pressure Applied voltage generates voltage causes contraction 图2-1晶体的压电特性 这种能量转化在某一频率处获得最大效率，该频率即为谐振频率。每个晶 女
第二章 晶体振荡器概述 5 第二章 晶体振荡器概述 作为频率参考源，晶体振荡器的频率稳定度影响着整个系统的性能。本章 从晶体的物理特性出发，简述了晶振原理，并考察了常用的几种晶振结构，分 析了优劣[1][2][3]。最后指出几种影响频率稳定度的要素，总结了 DCXO 的工 作原理。 2.1 晶体特性 晶体的切割方式，封装的极板，振荡电路的设计，环境温度，辐射，外界 加速度，冲击，老化等都会对晶体谐振特性造成影响。其中有的影响频率的长 期稳定度，有的影响短期稳定度，对频率精度和稳定性的扰动各不相同，应根 据应用需求进行针对性的研究。在射频通讯系统中，对晶振的短期频率稳定度 —相位噪声要求苛刻，同时集成晶振对功耗也较为敏感。本文重点对 CMOS 工艺下的晶振电路设计问题进行探讨，对涉及高性能晶振产品所需要做的考量 不在本篇论述范围内，深入解决需要涉及较多的晶体知识。尽管如此，仍有必 要介绍一些晶体的相关特性。 2.1.1 压电特性 石英晶体属于机械谐振腔，它的谐振依赖于外部施加的激励。由于晶体谐 振器有着极高的品质因素(Q 值)，频率稳定度和极低的功耗，被广泛应用于频 率控制和时钟电路。压电特性是指在晶体两端施加机械的压缩或拉伸的力，晶 体两端会产生电压信号；同样的，如果在晶体两端施加电压信号，晶体会发生 形变，形变方向取决于电压极性，如图 2-1 所示。 图 2-1 晶体的压电特性 这种能量转化在某一频率处获得最大效率，该频率即为谐振频率。每个晶
低相位噪声的数控晶体振荡器设计 片都有自己的固有谐振频率，其值同晶片的尺寸密切相关，晶片越薄，固有振 动频率越高，直到受晶片机械强度限制不能再薄为止。因此基频工作在100 MHz以上的石英晶体较少见，目前高频晶振多采用泛音谐振，即工作频率为基 频的整数倍。由于晶体晶格的方向性和物理特性相关，按不同晶格方向切割晶 体会产生不同的物理特性，如温度频率特性。以石英晶体为例，就有 AT/DT/BT/SC等多种切法，最常见的有AT/SC切割。每片晶体通常存在多种 谐振模式，分别对应于等效电路中的一组串联RLC谐振电路。为避免晶体工作 在不需要的振荡模式上，设计电路时需要仔细考量。 2.1.2电学等效模型 W/W一0000 Zm w -0000 WW一0000 C12 ●20 0 图2-2晶体的电学等效模型 晶体的每一个可能的振动模式都可以等效为一个RLC的串联支路，支路阻 抗为Zm。图2-2是晶体的电学等效模型。流过支路的电流同振荡幅度相关。 在电极1和2之间的电容是由于封装引入的，其值远大于电容C值，可以表示 为 C。=C2 C10C20 (2.1) C1C20 每一种谐振模式的振荡频率为 1 Wmi= (2.2) VCa剑 品质因素为 11 Q-WC.Ra (2.3) 6
低相位噪声的数控晶体振荡器设计 6 片都有自己的固有谐振频率，其值同晶片的尺寸密切相关，晶片越薄，固有振 动频率越高，直到受晶片机械强度限制不能再薄为止。因此基频工作在 100 MHz 以上的石英晶体较少见，目前高频晶振多采用泛音谐振，即工作频率为基 频的整数倍。由于晶体晶格的方向性和物理特性相关，按不同晶格方向切割晶 体会产生不同的物理特性，如温度频率特性。以石英晶体为例，就有 AT/DT/BT/SC 等多种切法，最常见的有 AT/SC 切割。每片晶体通常存在多种 谐振模式，分别对应于等效电路中的一组串联 RLC 谐振电路。为避免晶体工作 在不需要的振荡模式上，设计电路时需要仔细考量。 2.1.2 电学等效模型 图 2-2 晶体的电学等效模型 晶体的每一个可能的振动模式都可以等效为一个 RLC 的串联支路，支路阻 抗为 Zmi。图 2-2 是晶体的电学等效模型。流过支路的电流 ii 同振荡幅度相关。 在电极 1 和 2 之间的电容是由于封装引入的，其值远大于电容 Ci 值，可以表示 为 = + 10 20 0 12 10 20 C C C C C C (2.1) 每一种谐振模式的振荡频率为 mi si si 1 ω L C = (2.2) 品质因素为 i mi si si 1 Q 1 ω C R = (2.3)