20M低相位噪声晶体振荡器的设计

本文采用SMIC0.18μm工艺设计了一种20MHz的晶体振荡器。该晶体振荡器由振荡主电路、振荡幅度控制电路两部分组成，具有较好的相位噪声性能和较低的功耗。除石英晶体外，振荡器电路全部集成在片上实现，可以作为整个射频芯片的高精度频率源。

　　1 电路原理及设计

　　1.1 石英晶的模型和原理

　　本文采用的谐振晶体是石英晶体。按一定的方向将石英切成很薄的晶片，再将晶片两个表面抛光涂银并引出管脚加以封装，就制成了石英晶体。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反映。石英晶体的电子模型如图1所示，是串并联的LRC电路，其阻抗表达式为：

　　RsLsCs组成串联谐振支路，决定了串联谐振频率

，串联电阻Rs模拟晶体的等效电阻，Cp是晶体两块平板之间的电容，也包括了封装电容和焊接电容。

　　本文采用的20M晶体模型为：Ls=6.3mH，Cs=10fF，Rs=40Ω，Cp=5pF。

　　图1石英晶体的等效模型

　　图2表示的是晶体的频率特性，可以看到该晶体存在着串联谐振和并联谐振两个谐振点，在振荡时晶体就工作在这两个谐振点之间，表现为电感特性。

1.2 晶体振荡器的基本原理

　　晶体振荡器的实现方式有很多种，最常见的是三点式结构，如图3。

　　根据巴克豪森准则，采用负阻模型来分析振荡的启动条件：一个振荡器如果要起振，所有的阻抗之和必须小于等于0。对于晶体振荡器来说，工作在振荡频率时，除晶体之外的其余电路必须表现为一个负阻以补偿晶体的串联电阻Rs。

　　Zs表示的是晶体的串联支路的阻抗，Zc为其余电路阻抗之和，满足振荡的临界状态为：Zs+Zc=0，

　　由此可以得到能起振的gm的最小值。

　　根据晶体接入点偏置点的不同，晶体振荡器可以分为皮尔斯(Pierce)振荡器、科尔皮兹(Colpitts)振荡器、桑托斯(Santos)振荡器三种结构。本文设计的晶体振荡器采用的是Santos结构。Santos结构中晶体从主振荡管的栅端接入，由于是单端接入，所以可以节约引脚，另外Santos结构也比较容易起振。

　　1.3 具体电路设计