谢海情+曾承伟+曾健平+唐俊龙+贾新亮+彭永达+王超

摘 要：通过改进电路结构，采用CMOS交叉耦合结构提供负阻，设计一种20 MHz的集成石英晶体振荡器.在该振荡器中，采用共模反馈使其输出稳定的直流电平，并增加RC高通滤波器和预抑制电路降低其相位噪声.基于NUVOTON 0.35 μm CMOS工艺，利用Cadence Spectre对电路进行仿真，结果表明，在电源电压为3.3 V，偏置电流约400 μA时，该振荡器的起振时间约为1.5 ms，输出波形峰峰值为1.08 V，输出直流电平约为801.6 mV.输出信号频率为19.95 MHz，相位噪声分别可以达到-155 dBc/Hz@1 kHz，-164 dBc/Hz@10 kHz.

关键词：晶体振荡器；相位噪声；交叉耦合；RC高通滤波

中图分类号：TN432 文献标志码：A

A Low Noise Cross-coupled Integrated Quartz Crystal Oscillator

XIE Haiqing1， ZENG Chengwei1， ZENG Jianping2， TANG Junlong1，

JIA Xinliang1， PENG Yongda1， WANG Chao1

（1. School of Physics & Electronic Science， Changsha University of Science & Technology， Changsha 410114，China；

2. College of Physics and Microelectronics Science， Hunan University， Changsha 410082，China）

Abstract：By improving the circuit structure and adopting the CMOS cross-coupled structure to provide negative resistance， a 20 MHz integrated quartz crystal oscillator was proposed. In this oscillator， the common-mode feedback was adopted to achieve stable DC output， and the RC high filter circuit and the pre-rejection circuit were designed to reduce the phase noise. With NUVOTON 0.35 μm CMOS process， the circuit was designed and simulated by the Spectre in Cadence. Under the supply voltage of 3.3 V and the bias current of 400 μA， the results indicated that start-up time of the oscillator was about 1.5 ms， the peak value of the output waveform was 1.08 V， the DC output was about 801.6 mV， the frequency of output was 20 MHz， and the phase noise reaches -155 dBc/Hz@1 kHz and -164 dBc/Hz@10 kHz， respectively.

Key words：crystal oscillator； phase noise； cross-coupled； RC high pass filter

在全球定位系统、通信、导航、时间与频率计量等领域，晶体振荡器作为系统的基准参考频率源，一直是一个不可缺少的器件.随着信息技术的快速发展，对基准频率源的精确度、稳定度提出了越来越高的要求.相位噪声作为信号源的重要参数指标之一，对通信设备的性能有着重要意义[1].目前，石英晶体振荡器主要由分立元器件组成.常见的三点式石英晶体振荡器主要有以下3种：皮尔斯（Pierce）振荡器，科尔皮兹（Colpitts）振荡器和克拉普（Clapp）振荡器[2-4].杨骁等人[5]对三点式振荡器的起振条件和相位噪声进行了详细分析，提出了一种带增益控制环路的振荡电路，降低了起振时间，并提高振荡器的相位噪声性能.在晶体振荡电路中，振荡器的相位噪声是振荡器性能的关键参数.唐路等人[6]提出了一种PMOS差分结构降低相位噪声.Siwiec[7]提出了一種双反馈回路结构……