低噪声集成石英晶体振荡器设计.pdf

湖南大学
硕士学位论文
低噪声集成石英晶体振荡器设计
姓名:王阆
申请学位级别:硕士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:曾健平
20090524
摘要石英晶体振荡器是一种非常重要的频率源。由于石英晶体具有很高的品质因数和很小的接入系数,采用石英晶体设计的振荡器具有稳定度高、老化特性好等优点,被广泛应用于通信、雷达、导航等领域中。目前,国内的石英晶体振荡器主要采用分立元件组成三点式振荡电路。但随着科技的不断发展,工艺技术的不断成熟,通信和数字系统等领域中迫切需要可用集成工艺实现、高性能、低噪声的振荡器。因此设计一种低噪声集成石英晶体振荡器来替代常用的振荡器和集成压控振荡器显得尤为重要。首先,介绍了目前石英晶体振荡器的发展现状及本设计的意义。然后,讨论了核心元件石英晶体谐振器的物理性质和工作原理,研究常用的三点式振荡电路结构,交叉耦合振荡电路结构并比较各种结构的优缺点。接下来,对现有的相位噪声理论以及噪声模型进行了深入的研究,从放大器的噪声和谐振电路的噪声入手,进行公式推导和理论分析,并详细讨论了最常用的噪声模型,指导后根据交叉耦合振荡器结构的功能需要,将振荡器电路划分为:偏置产生电路、主振电路和输出缓冲电路。参考已有的各种基准源结构,设计了能够在较宽的电压范围和温度变化范围内产生稳定电流,电压的带隙基准电路模块。针对集成电路工艺的特点,结合本文采用交叉耦合振荡器结构,改进相位噪声模型,完成本振荡器结构的低噪声设计。在主振电路的输出端加入折叠式共源共栅结构的缓冲电路,以隔离负载电路对频率稳定度的影响。整个电路的设计首先是进行理论分析,初步计算确定电路参数,再通过计算机电路仿真软件械ぞ撸哉稣竦吹缏方蟹抡婧脱橹ぃ徊接呕髟<牡缏凡问本设计采用的是台湾积体电路有限公司的艺库进行仿真,使用械陌嫱脊ぞ遃瓿筛鞲瞿?榈陌嫱忌杓疲通过橹ぁ仿真结果显示:采用标称频率为械木逍痴衿髂P停缏吩电源电压为ぷ魑露任媸保撼迤魇涑龅恼竦葱藕牌德饰,峰峰值约为艿南辔辉肷R疕1疚闹械氖⒕逭荡器的性能优于普通晶体振荡器,满足设计要求。关键词:石英晶体;集成振荡器;相位噪声;噪声模型;版图设计续的低噪声振荡器设计。工,低噪声集成石英晶体振荡器设计痭
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插图索引图石英晶体谐振器的封装图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一图石英晶体切型图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯切型谐振器频率温度与切角关系图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图晶体谐振器等效电路图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.图三点式晶体振荡器结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⒘W杩棺鞲涸氐姆聪喾糯笃鳌图两级反相放大振荡器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图放大器和谐振电路的噪声模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图石英谐振器和放大器噪声模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..图相位噪声频谱⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯餍惩绲牡刃У缏贰竦雌鞯牡刃У缏贰反馈振荡器方框图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..并联谐振电路的幅频和相频特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯振荡器的噪声谱⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯刀哉竦雌髟肷椎挠跋臁图石英晶体振荡器模块图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图带频率补偿的两级运算放大电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.图运放的输出幅频特性和相频特性曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图带隙基准源电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图带隙基准电压的温度特性曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..图偏置电流、电压产生电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图偏置电流,妇随温度变化特性曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图偏置电流厶缸,随电源电压变化特性曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图常见的交叉耦合仄私峁埂图诮徊骜詈辖峁沟木д袂缏芳笆⒕逍痴裢纭图逭竦雌魇涑霾ㄐ巍图咄瞬ㄆ鞫韵辔辉肷母纳啤图糯笃魇淙朐肷图辔辉肷治龇抡娼峁哂爰扑憬峁摺图图硕十学位论文
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翩虢露谪作者签名:王阖日期:叩年/月产日日期:■年/月作者签名:王废学位论文版权使用授权书日期:办胡年‘月湖