交叉耦合结构集成石英晶体振荡器相位噪声与稳定性研究.docx

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交叉耦合结构集成石英晶体振荡器相位噪声与稳定性研究

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谢海情曾承伟曾健平贾新亮王超王龙陈玉辉李洁颖

摘要：通过对相位噪声进行频域分析，构建Lesson噪声优化模型，优化电路参数；并分析预抑制电路的小信号模型，优化其元器件参数，研究带RC滤波器的CMOS交叉耦合结构振荡器的相位噪声和稳定性.基于NUVOTON0.35μm工艺，采用Cadence完成电路设计、优化与仿真，版图设计与后仿真，并最终完成流片、测试.结果表明：在电源电压为3.3V时，该振荡器的输出信号频率为20MHz，相位噪声分别为-135dBc/Hz@1kHz，-156.4dBc/Hz@10kHz，-169.2dBc/Hz@1MHz.当电源电压在±10%范围变化时，频率波动小于81×10-6；在工作温度-25℃至85℃范围内，频率波动小于71×10-6.

关键词：石英晶体振荡器；相位噪声；稳定度；预抑制

：TN432文献标志码：A

Abstract：Bythefrequencydomainanalysisofphasenoise，theoptimizationmodelofLessonnoisewasestablishedandtheparametersinthecircuitwereimproved.Meanwhile，thesmallsignalmodelwasestablishedtooptimizetheparametersinthepresuppressioncircuit.Inthisway，thephasenoiseandstabilitywerestudiedforthecrosscoupledintegratedquartzcrystaloscillatorwithRCfilter.Furthermore，thecircuitandlayoutweredesigned，simulatedandoptimizedbyCadencewithNUVOTON0.35μmprocess.Subsequently，thefabricationandtestwerecarriedoutunderthesupplyvoltageof3.3V.Theresultsindicatedthatthefrequencyofoutputwas20MHzandthephasenoiseoftheoscillatorcanreach-135dBc/Hz@1Hz，156.4dBc/Hz@10kHz，and169.2dBc/Hz@1Hz，respectively.Theripplewavewaslessthan81ppmand71ppm，respectively，withthevariationofthesupplyvoltageintherangeof±10%andthetemperaturerangefrom-25℃to85℃.

Keywords：quartzcrystaloscillator；phasenoise；stability；presuppression

時频检测与控制电路广泛应用于导航、通信、计量等领域中.晶体振荡器作为参考频率源，其精确度、稳定度是影响系统性能的重要参数指标[1].晶体振荡器的短期频率稳定度在频域内的表征为相位噪声，因此，晶体振荡器的相位噪声具有重要的研究意义[2].杨骁等在传统三点式振荡器中增加增益控制环路，提高了振荡器相位噪声性能[3].唐路等人提出了一种PMOS差分结构降低相位噪声[4].Siwiec等人提出了一种双反馈回路结构降低相位噪声[5].谢海情等人提出一种CMOS交叉耦合结构的石英晶体振荡器，并采用RC滤波和预抑制电路降低电路的噪声[6-7].然而，在石英晶体振荡器中，除晶体振荡结构外，电路中其他元器件的噪声也会影响电路的相位噪声.通过构建电路的相位噪声模型，可以优化电路相位噪声性能[8-9].在传统的相位噪声模型中，当振荡器工作在谐振频率附近时，放大器的增益近似保持不变.因此，在分析晶体振荡器接近载波频率处的相位噪声时会出现一定的偏差，且无法得到优化RC滤波器的方法.另外，在相位噪声模型分析中，无法构建温度、电源影响晶体振荡器相位噪声的模型.但是，温度影响器件的跨导，电源电压含有纹波，都会影响晶体振荡器的相位噪声，进一步影响其稳定性.