低相位噪声的数控晶体振荡器设计 体被过驱动而加速老化。由此，一个偏置电流随幅度可变的幅度调节电路可以 解决上述问题。针对以上分析，可以得到结论：Pierce结构仅仅适用于性能要 求不高的系统中，这也是为何数字系统中该结构获得广泛使用的原因。 2 regulator output 图2-10 Santos结构晶体振荡器 Santos结构因其容易偏置而得到广泛应用。M1管提供能量以维持振荡， 它由电阻Rois和电流源M2管偏置。因为它只需要一个管脚来外接晶体，在低 成本实现方面有着巨大优势。此外，振荡的输出幅度是Pierce结构的两倍，有 效提高了相位噪声性能。因此在对相位噪声性能苛刻的射频通讯系统中， Santos结构晶体振荡器是不二的选择。但是，该结构为了克服体效应，M1管 需要N阱工艺，而且M1管的栅端电容会引起频率稳定度的下降。本文采用 Santos结构来设计晶振，接地电容C2采用开关控制来调节频率，N阱隔离增 强了电路的抗干扰能力。 2.3晶体振荡器指标 晶体振荡器的性能指标主要包括功耗，频率稳定度，频率精度，相位噪声， 振荡幅度，输出电平和起振时间等。 2.3.1功耗 晶振的功耗分两部分，一部分由晶体的机械振动能量损耗构成，另一部分 来自有源电路的功耗。图2-11是晶振阻抗分离法分析晶体的能量损耗。ⅰ是流 过晶体的电流，1是流过电容C1的电流，V是振荡端的电压信号。这里都取信 号的复数均方根值。根据基尔霍夫电流定律， i=i4z+yw0, ywC (2.17) 谐振器阻抗： 12
低相位噪声的数控晶体振荡器设计 12 体被过驱动而加速老化。由此，一个偏置电流随幅度可变的幅度调节电路可以 解决上述问题。针对以上分析，可以得到结论：Pierce 结构仅仅适用于性能要 求不高的系统中，这也是为何数字系统中该结构获得广泛使用的原因。 图 2-10 Santos 结构晶体振荡器 Santos 结构因其容易偏置而得到广泛应用。M1 管提供能量以维持振荡， 它由电阻 Rbias 和电流源 M2 管偏置。因为它只需要一个管脚来外接晶体，在低 成本实现方面有着巨大优势。此外，振荡的输出幅度是 Pierce 结构的两倍，有 效提高了相位噪声性能。因此在对相位噪声性能苛刻的射频通讯系统中， Santos 结构晶体振荡器是不二的选择。但是，该结构为了克服体效应，M1 管 需要 N 阱工艺，而且 M1 管的栅端电容会引起频率稳定度的下降。本文采用 Santos 结构来设计晶振，接地电容 C2采用开关控制来调节频率，N 阱隔离增 强了电路的抗干扰能力。 2.3 晶体振荡器指标 晶体振荡器的性能指标主要包括功耗，频率稳定度，频率精度，相位噪声， 振荡幅度，输出电平和起振时间等。 2.3.1 功耗 晶振的功耗分两部分，一部分由晶体的机械振动能量损耗构成，另一部分 来自有源电路的功耗。图 2-11 是晶振阻抗分离法分析晶体的能量损耗。i 是流 过晶体的电流，i1是流过电容 C1 的电流，v1是振荡端的电压信号。这里都取信 号的复数均方根值。根据基尔霍夫电流定律， 3 1 mi 3 1 1 ωC i i Z ωC = + (2.17) 谐振器阻抗：
第二章晶体振荡器概述 Z=R+j 2p C (2.18) 图2-11晶体机械能量损耗分析 于是， -j/wCs i+j2p/wC-iwC (2.19) 假设：2p>>wCR=1/Q, p=W-Wmi Wmi (2.20) C C 《 2(C3+C,C2/(C,+C2》2Cg ii,1+ (2.21) C 其中Cs=C1C2(C1+C2),于是流过晶体的电流 i=j@Cv(1+ (2.22) 晶体的机械振荡能量为： Cilw a Cy (2.23) w'C C C 这一指标非常重要，晶体参数通常会给出最大驱动功率(Maximum drive level)),若实际产品超过了该值，则称晶体被过驱动。过大的驱动功率会加速晶 体老化，影响谐振频率的长期稳定性，严重时会发生晶体损坏和晶振停振。从 式(2.23)可以看到，晶体能量损耗随负载电容和振荡幅度的平方关系增加，因 此为了得到较高的频率稳定度而增加负载电容的话，功耗的急速增加是必须要 13
第二章 晶体振荡器概述 13 mi i i 2j p Z R ωC = + (2.18) 图 2-11 晶体机械能量损耗分析 于是， 3 1 i i3 j j2 j ωC i i R p ωC ωC − = + − (2.19) 假设：2p>>ωCiRi=1/Q， mi mi i i 3 12 1 2 3 2( ( )) 2 ω ω p ω C C C CC C C C − = ≈ + + (2.20) 3 1 s (1 ) C i i C ≅ + (2.21) 其中 Cs=C1C2/(C1+C2)，于是流过晶体的电流 3 1 1 s j (1 ) C i ωC v C ≅ + (2.22) 晶体的机械振荡能量为： 2 2 2 1 1 3 2 m 2 ii s (1 ) i Cv C E ω CC C ≅= + (2.23) 这一指标非常重要，晶体参数通常会给出最大驱动功率(Maximum drive level)，若实际产品超过了该值，则称晶体被过驱动。过大的驱动功率会加速晶 体老化，影响谐振频率的长期稳定性，严重时会发生晶体损坏和晶振停振。从 式(2.23)可以看到，晶体能量损耗随负载电容和振荡幅度的平方关系增加，因 此为了得到较高的频率稳定度而增加负载电容的话，功耗的急速增加是必须要
低相位噪声的数控晶体振荡器设计 考虑的，为此必须选择能承受驱动功率更强的晶体。 2.3.2频率稳定度 石英晶体振荡器的频率会随环境因素而变化。随着时间的推移，晶体发生 老化，频率产生漂移。该变化具有一定的确定性，现在的晶体频率漂移通常可 以控制在10ppm/10 years内。该指标也被称为晶振的长期频率稳定度。短期 频率稳定度通常指由噪声引起的频率波动。除了时间引起的频率变化，温度， 振动和辐射等都会影响频率，甚至同一晶振在下一次启动时的频率也会和上一 次的频率发生偏差。 对于短期频率稳定度，通常有两种表示方法：时间域的抖动时间(Jitting Time)和频率域的相位噪声(Phase Noise)。关于相位噪声理论有诸多文献，在 此不做赘述。这里着重指出晶体振荡器中的噪声贡献。在低频偏处的相位噪声 主要来自于谐振器，高频偏处的噪声贡献来自于振荡电路。谐振的有载Q值影 响振荡电路的噪声贡献。另外，振荡电路的非线性，如电容一电压的非线性变 化，过大的驱动功率和不稳定的振幅都会使电路噪声上变为相位噪声。 理想振荡器的输出频谱是脉冲信号，但实际振荡器却远非理想，图2-12 表明了可能的实际振荡波形。振荡信号在峰值的抖动表明了振幅不稳定性，在 过零点的波动表明了相位的不稳定性。由于振荡电路的限幅特性，幅度噪声变 得不再重要，但相位的抖动引起的相位噪声对以晶振为精确频率参考的通讯系 统影响重大，参考源的频率稳定性决定了系统性能甚至决定了系统是否能正常 工作。 Stable Frequency(ldeal Oscillator) 中(t V(t)=Vosin(2Tfot) Unstable Frequency (Real Oscillator) V(t)=[Vo+E(t)]sin[2Tfot+(t)] 图2-12理想和实际振荡波形示意图 14
低相位噪声的数控晶体振荡器设计 14 考虑的，为此必须选择能承受驱动功率更强的晶体。 2.3.2 频率稳定度 石英晶体振荡器的频率会随环境因素而变化。随着时间的推移，晶体发生 老化，频率产生漂移。该变化具有一定的确定性，现在的晶体频率漂移通常可 以控制在 10 ppm/10 years 内。该指标也被称为晶振的长期频率稳定度。短期 频率稳定度通常指由噪声引起的频率波动。除了时间引起的频率变化，温度， 振动和辐射等都会影响频率，甚至同一晶振在下一次启动时的频率也会和上一 次的频率发生偏差。 对于短期频率稳定度，通常有两种表示方法：时间域的抖动时间(Jitting Time)和频率域的相位噪声(Phase Noise)。关于相位噪声理论有诸多文献，在 此不做赘述。这里着重指出晶体振荡器中的噪声贡献。在低频偏处的相位噪声 主要来自于谐振器，高频偏处的噪声贡献来自于振荡电路。谐振的有载 Q 值影 响振荡电路的噪声贡献。另外，振荡电路的非线性，如电容－电压的非线性变 化，过大的驱动功率和不稳定的振幅都会使电路噪声上变为相位噪声。 理想振荡器的输出频谱是脉冲信号，但实际振荡器却远非理想，图 2-12 表明了可能的实际振荡波形。振荡信号在峰值的抖动表明了振幅不稳定性，在 过零点的波动表明了相位的不稳定性。由于振荡电路的限幅特性，幅度噪声变 得不再重要，但相位的抖动引起的相位噪声对以晶振为精确频率参考的通讯系 统影响重大，参考源的频率稳定性决定了系统性能甚至决定了系统是否能正常 工作。 图 2-12 理想和实际振荡波形示意图
第二章晶体振荡器概述 图2-13给出了频率综合器的相位噪声对发射机性能的影响.频综低频偏处 的相位噪声会降低被调制信号的信噪比，而高频偏处的相位噪声会干扰其他信 号通道。在一个典型的频率综合器中，参考时钟即晶振是产生低频偏相位噪声 的主要噪声源，因此设计一个低相位噪声的参考时钟尤为关键。 Sx(f) X( out(t) close-in phase noise Synthesizer far-away phase noise 图2-13频率综合器噪声对发射机的性能影响示意图 2.3.3其他 温度是影响石英晶体频率的另一个重要因素。如前所述，温度特性跟晶体 的切割密切相关。虽然良好的切割角度可以使频率波动小于20pp,但在一 些对频率稳定度苛刻的系统中，如VCDMA/WLAN系统等，必须采用温度补 偿技术满足晶振在不同的环境温度下的工作情况。TCXO/OCXO就是两种采用 温度补偿的晶体振荡器。 其他影响频率稳定的因素有供电电压和负载的变化。两者都会影响振荡电 路从而改变谐振器的驱动功率和负载阻抗。负载阻抗的变化会改变振荡环路中 信号的相位从而对频率产生一定的牵引。可以采用低噪声的供电电压来减弱电 源推动效应(Supply Pulling),在输出增加缓冲器来隔离负载阻抗。 2.4本章小结 本章介绍了晶体和晶体振荡器的基本背景知识，包括晶体特性和其电学等 效模型。给出了晶体振荡器分析的两种常用方法，指出了阻抗分离法在分析晶 振电路中的优势。之后分析了电容三点式晶体振荡器结构，分析了三种结构的 利弊并给出了实际电路的偏置。指出Santos结构在低成本，低相位噪声方面 的优势。最后，介绍了衡量晶振性能的各项指标，包括驱动功率，温度频率稳 15
第二章 晶体振荡器概述 15 图 2-13 给出了频率综合器的相位噪声对发射机性能的影响。频综低频偏处 的相位噪声会降低被调制信号的信噪比，而高频偏处的相位噪声会干扰其他信 号通道。在一个典型的频率综合器中，参考时钟即晶振是产生低频偏相位噪声 的主要噪声源，因此设计一个低相位噪声的参考时钟尤为关键。 图 2-13 频率综合器噪声对发射机的性能影响示意图 2.3.3 其他 温度是影响石英晶体频率的另一个重要因素。如前所述，温度特性跟晶体 的切割密切相关。虽然良好的切割角度可以使频率波动小于 20 ppm，但在一 些对频率稳定度苛刻的系统中，如 WCDMA/WLAN 系统等，必须采用温度补 偿技术满足晶振在不同的环境温度下的工作情况。TCXO/OCXO 就是两种采用 温度补偿的晶体振荡器。 其他影响频率稳定的因素有供电电压和负载的变化。两者都会影响振荡电 路从而改变谐振器的驱动功率和负载阻抗。负载阻抗的变化会改变振荡环路中 信号的相位从而对频率产生一定的牵引。可以采用低噪声的供电电压来减弱电 源推动效应(Supply Pulling)，在输出增加缓冲器来隔离负载阻抗。 2.4 本章小结 本章介绍了晶体和晶体振荡器的基本背景知识，包括晶体特性和其电学等 效模型。给出了晶体振荡器分析的两种常用方法，指出了阻抗分离法在分析晶 振电路中的优势。之后分析了电容三点式晶体振荡器结构，分析了三种结构的 利弊并给出了实际电路的偏置。指出 Santos 结构在低成本，低相位噪声方面 的优势。最后，介绍了衡量晶振性能的各项指标，包括驱动功率，温度频率稳
低相位噪声的数控晶体振荡器设计 定度，短期频率稳定度（相位噪声）等。对相位噪声的论述解释了AFC信号的产 生过程，也解释了DCXO能精细调频的工作原理。 参考文献 [1]John R.Vig."Quartz Crystal Resonator and Oscillator for Frequency Control and Timing Applications".A tutorial.June.2003. [2]Willy M.C.Sansen,"Analog Design Essentials",KuLeuven.p677-710. [3]E.Vittoz."Low-Power High-Precision Crystal Oscillators"notes in CSEM.2001. 16
低相位噪声的数控晶体振荡器设计 16 定度，短期频率稳定度(相位噪声)等。对相位噪声的论述解释了 AFC 信号的产 生过程，也解释了 DCXO 能精细调频的工作原理。 参考文献 [1] John R. Vig. “Quartz Crystal Resonator and Oscillator for Frequency Control and Timing Applications”. A tutorial. June. 2003. [2] Willy M.C. Sansen, “Analog Design Essentials”, KuLeuven. p677-710. [3] E. Vittoz. “Low-Power High-Precision Crystal Oscillators” notes in CSEM. 2001