基于SMIC工艺设计的晶体振荡器电路原理

引言

射频收发系统需要一个高精度、低相位噪声的频率参考源。在实际的应用中，频率参考源一般都采用振荡器来实现，高精度低相位噪声的晶体振荡器具有十分明显的优势。而为了节约成本，提高频率综合器输入基准时钟的相位噪声性能，实现射频收发系统的单芯片化，把晶体振荡器除晶体之外的部分都集成到片上就成了大势所趋。

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

本晶体振荡器的基本电路如图4所示。

振荡器的核心振荡电路由M1、M2、C1、C2以及石英晶体组成。晶体管M1作为振荡主管，M2管作为偏置电流源，振荡器的输出在M1管的栅端。为了得到比较理想的频率偏移，C1、C2都取得比较大，分别为5p、10p。利用上节提到的负阻抗模型，对该电路进行分析，可得：

当振荡器起振之后，振荡波形幅度会不断增大，一直到振荡器件出现饱和为止。这期间可能会引起MOS管的击穿，因此需要设计一个振幅控制电路。本文设计的振幅控制电路由M3～M14组成。M4、M5是一对非对称差分管，M4的宽长比远大于M5，M3是它们的偏置电流源。由于直流偏置一样，这样在起振的时候M5的电流远小于M4，M8可以提供该电流，此时M9、M10关断只有很小的亚阈值电流。R3的电流只由M11、M12、M13、M14以及带隙基准组成的电流镜提供，M2的栅源电压VSG2=VDD-R3I11，所以M2能够提供较大的电流，使振荡器在较大的正反馈增益下迅速起振。

在起振之后输出电压振幅不断增大，M4、M5的反向交流电流也按尺寸比例分配，使通过两者的平均电流不断接近，当振荡幅度达到一定大小时，两个管子平分M3的电流。此时M8不足以提供M5的电流，M9就进入饱和态导通补足所需的电流，同样M10也导通，所以流过R3的电流增大变为I10+I11，M2的栅源电压变小，从而M2的电流下降，振荡器趋于稳定，输出幅度稳定下来。R3和C4决定振幅控制电路的时间常数，它的值太小会引入幅度波动，太大则会使响应过慢，需要进行折衷考虑。

相位噪声是晶体振荡器最重要的指标，它直接影响锁相环回路的工作性能，决定了芯片对射频信号接收与处理灵敏度，甚至决定了整个电路能否正常工作。通过仿真和分析可知，振荡器电路的主要噪声源是电流镜M11、M12、M13、M14的闪烁噪声，通过影响M2的栅源电压，把噪声传递到主振荡电路，从而影响振荡输出的相位噪声。因此本文提出在M2的栅端添加一个由R2、C3组成的RC滤波器，滤掉振幅控制电路的噪声，显著地提高相位噪声指标。选取R2、C3的值时，要综合考虑滤波器的带宽及电阻电容的面积。

晶振的输出缓冲级由隔直电容C5、自偏置结构R4、M15、M16、以及M17、M18、M19、M20组成的反相器链构成，可以得到全摆幅的方波输出。

2 电路版图及仿真

电路使用SMIC 0.18μm工艺实现，图5是该电路芯片的显微镜照片，面积约为550×185μm。

利用Cadence Spectre软件工具对晶体振荡器进行仿真，其输出波形如图6所示的方波，峰峰值为1.56V，起振时间约为0.6ms。图7表示的是振荡器的相位噪声性能，在偏离中心频率1kHz、10kHz、1MHz处的相位噪声分别为：-121dBc/Hz、-145dBc/Hz、165dBc/Hz。

对加RC滤波器之前的晶体振荡器进行仿真，起振时间振荡幅度都基本没有改变。但其相位噪声性能如图8所示，在偏离中心频率1kHz、10kHz、1MHz处的相位噪声分别为：-110dBc/Hz、-127dBc/Hz、-143dBc/Hz。

可见，滤波器显著提高了晶体振荡器的相位噪声性能，达到了设计的目的。

3 结论

本文使用SMIC 0.18μm工艺，设计了一种20MHz单端晶体振荡器，除石英晶体外所有电路都集成在片上。从仿真结果分析，本文设计的晶体振荡器频率精度高，相位噪声优良，启动时间短，面积也较小，满足集成射频电路的应用要求。