差分结构数字控制晶体振荡器设计

作     者：褚博 

作者单位：复旦大学 

学位级别：硕士

导师姓名：唐长文

授予年度：2013年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：数字控制晶体振荡器 C类振荡器 相位噪声 开关电容阵列 自动频率控制 

摘      要：随着无线通信技术的不断发展,特别是移动通讯和无线手持设备的普及,频谱资源变得越来越紧张,射频电路对基准频率源的准确性和稳定性的要求也越来越高。石英晶体振荡器由于具有极高的品质因数,因此被广泛的用作手机、全球定位系统、无线局域网等通信系统的基准频率源。 石英晶体自身的物理特性使得普通晶体振荡器不可避免的存在工作频率随温度、晶体的老化而改变的现象,因此无法保证通信系统对频率长期稳定性的要求,需要对其频率进行校正,即要求晶体振荡器具有实时调谐的功能。数字控制晶体振荡器(Digitally Controlled Crystal Oscillator,以下简称DCXO)能够借助射频基站发送的频率校正信号产生自动频率控制(Automatic Frequency Control,以下简称AFC)信号调节晶体振荡器的工作频率,从而实现频率的校正。 本文论述了数字控制晶体振荡器的理论和实现,并对振荡器设计中的难点和关键电路进行了详细的分析。 首先,本文简单的介绍了国内外晶体振荡器的研究现状,提出了差分结构晶体振荡器所具有的优势,以及数字控制晶体振荡器实现过程中的设计难点。讨论了晶体谐振器的电学等效模型,在此基础上分析了晶体振荡器的基本原理,给出了衡量晶体振荡器性能的各项指标。介绍了射频电路中常用的可变电容类型,并对CMOS可变电容进行了详细的分析。 其次,对三种相位噪声模型：线性时不变模型,非线性时不变模型和线性相位时变模型进行了系统的分析和概括,并采用非线性时不变模型对DCXO的输出噪声进行了分析。 最后,设计了工作在C类状态的差分结构数字控制晶体振荡器及其偏置电路,给出了电路在起振阶段的小信号分析和稳态时的大信号分析。详细论述了在TSMC0.18μm CMOS射频工艺上实现的数字控制晶体振荡器的电路结构及仿真结果。