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

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NUVOTON 0.35 μm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3.3 V时，该振荡器的输出信号频率为20 MHz，相位噪声分别为-135 dBc/Hz@1kHz，-156.4 dBc/Hz@10 kHz，-169.2 dBc/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

中图分类号：TN432 文献标志码：A

Abstract：By the frequency domain analysis of phase noise， the optimization model of Lesson noise was established and the parameters in the circuit were improved. Meanwhile， the small signal model was established to optimize the parameters in the presuppression circuit. In this way， the phase noise and stability were studied for the crosscoupled integrated quartz crystal oscillator with RC filter. Furthermore， the circuit and layout were designed， simulated and optimized by Cadence with NUVOTON 0.35 μm process. Subsequently， the fabrication and test were carried out under the supply voltage of 3.3 V. The results indicated that the frequency of output was 20 MHz and the phase noise of the oscillator can reach -135 dBc/Hz @ 1 Hz， 156.4 dBc / Hz @ 10 kHz， and 169.2 dBc/Hz @ 1 Hz， respectively. The ripple wave was less than 81 ppm and 71 ppm， respectively， with the variation of the supply voltage in the range of ± 10% and the temperature range from -25 ℃ to 85 ℃ .

Key words：quartz crystal oscillator； phase noise； 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.

本文通过分析带RC滤波的CMOS交叉耦合结构石英晶体振荡器的小信号电路，构建其优化相位噪声模型，进一步优化电路参数.另外，对预抑制电路的小信号电路进行分析，优化电路参数，提高对电源纹波的抑制作用.从而降低该振荡器的相位噪声，提高其稳定度.最终完成流片测试.

1 振荡电路相位噪声的优化模型

本文所研究的CMOS交叉耦合石英晶体振荡器如图1所示.其中，CMOS交叉耦合结构等效为负阻，为振荡器提供能量，并且该结构具有低相位噪声特性；R3、R4为共模反馈电阻，保证电路输出稳定的直流电平.输出端分别接石英晶体的两端，C3，C4为晶体的负载电容，与晶体形成谐振网络；同时在PMOS对和NMOS对的输出端加入RC高通滤波器，滤除电路中的低频噪声.

2.2 RC滤波器的优化

振荡器相位噪声随RC的变化曲线如图5所示.由于截止频率过低，RC电路的滤除噪声有限，而截止频率过高时，电路又难以起振.因此，RC扫描频率范围取10～20 MHz.再者，RC滤波器主要滤除的是低频噪声，因此，我们取在@100 Hz左右处的相位噪声.

可以看出，截止频率一定时，随着电容的减小，相位噪声性能略有下降，且幅度很小.考虑到版图面积增大引入的噪声耦合和寄生效应，以及电阻大小对电路温度稳定性的影响，选取C=3 pF，R=5 kΩ.此时，RC高通滤波器的截止频率约为10 MHz.

2.3 预抑制电路

电源的纹波也是电路的噪声源之一，影响振荡器的相位噪声，进而影响电路输出频率的稳定性.因此，在电源通路上，增加预抑制电路抑制电源噪声，如图6所示.其中，M12宽长比很大，可以将VGS，12钳位在阈值电压附近，M9、M10、M11、M7、M8、M12和M13构成反馈调节电路.当M11、M12的偏置电压增大时，通过反馈，VGS，M13将减小.C7和R7构成密勒补偿电路，使环路稳定.该反馈环路的直流开环增益很大，从而将偏置电压VREG钳位到一个恒定的值.使得VREG随电源电压变化非常小.

4 结 论

本文通过对带RC滤波器的CMOS交叉耦合结构石英晶体振荡器的相位噪声进行频域分析，构建其相位噪声的优化模型，并根据该模型优化电路参数.另外，分析预抑制电路的小信号模型，优化其元器件参数.通过电路优化，降低该振荡器的相位噪声，提高频率稳定度.基于NUVOTON 0.35 μm工艺，完成电路设计、优化和版图设计，最终完成流片测试.当电源电压为3.3 V时，该振荡器的输出频率为20 MHz，相位噪声为135 dBc/Hz@1 kHz，-156.4 dBc/Hz@10 kHz，-169.2 dBc/Hz@1 MHz.当电源电压在±10%范围内变化时，频率波动小于81×10-6；在-25 ℃至85 ℃工作温度范围内，频率波动小于71×10-6，可用作为稳定的频率信号源.

参考文献

[1] 赵声衡. 石英晶体振荡器[M].长沙：湖南大学出版社，2008： 153-198.

ZHAO S H. Quartz crystal oscillator[M]. Changsha： Hunan University Press， 2008： 153-198. （In Chinese）

[2] 黎荣林，陈萍萍，黎敏强，等. 一种高稳定恒温晶振的设计[J]. 电子器件， 2016，39（2）：329-333.

LI R L， CHEN P P， LI M Q， et al. Design of a high stable constant temperature crystal [J]. Chinese Journal of Electron Devices， 2016，39 （2）： 329-333.（In Chinese）

[3] 杨骁，齐骋，王亮. 一种低相位噪声CMOS晶体振荡器的设计[J]. 微电子学，2012，42（5）：642-645.

YANG X， QI C， WANG L， et al. Design of a low phase noise CMOS crystal oscillator [J]. Microelectronics， 2012， 42（5）：642-645. （In Chinese）

[4] 唐路，王志功，曾賢文，等. 一种用于射频调谐器的低相位噪声低功耗晶体振荡器[J]. 东南大学学报（英文版），2012，28（1）：21-24.

TANG L， WANG Z G， ZENG X W， et al. A lowphasenoise and lowerpower crystal oscillator for RF tuner [J]. Journal of Southeast University（English Edition），2012， 28（1）：21-24. （In Chinese）

[5] SIWIEC D K. Crystal oscillator with dual amplitude stabilization feedback loop[C]∥Mixed Design of Integrated Circuits and Systems （MIXDES）， 2012 Proceedings of the 19th International Conference.2012：231- 234.

[6] 谢海情，曾承伟，曾健平，等. 一种低噪声交叉耦合结构集成石英晶体振荡器[J].湖南大学学报（自然科学版），2017，44（2）：117-121.

XIE H Q， ZENG C W， ZENG J P， et al. A low noise crosscoupled structure integrated quartz crystal oscillator[J]. Journal of Hunan University（Natural Sciences）， 2017，44 （2）： 117-121. （In Chinese）

[7] XIE H Q， ZENG C W， JIA X L， et al. Optimization for phase noise in crosscoupled integrated quartz crystal oscillator[C]//2016 International Conference on SolidState and Integrated Circuit Technology.

[8] WANG Y， HUANG X H. Analysis and design of low phase noise crystal oscillators [C]∥Proceedings of 2012 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation.2012：19-23.

[9] HUANG X H， CHEN P P， FU W， et al. Prediction， simulation， and verification of the phase noise in 80 MHz lowphasenoise crystal oscillators [J]. IEEE Transactions on Ultrasonics， Ferroelectrics， and Frequency Control， 2015， 62（9）： 1599-1604.