RFID_XO设计报告

RFID_XO 设计报告一．设计内容1）对晶体振荡器的核心振荡电路进行了详细的大信号和小信号分析，给出了偏置电流，振幅和驱动管之间的关系。

2）介绍了晶体振荡器相位噪声理论，并根据该理论对晶振的相位噪声性能进行了优化。

在电路中增加了一个RC 滤波器，提高了相位噪声性能。

3）使用tsmc0.18工艺具体设计实现了一种10M 和20M 的晶体振荡器。

二．晶体振荡器理论2.1 晶体等效模型从理论上讲，晶体的每一个机械振荡模型都可以等效为电效应中的一个R s ,L s ,C s 串联谐振支路，其串联阻抗为Z s 。

而在实际的振荡过程中，振荡只发生在一种特定的工作模式，因此晶体可以等效为对应的一组串联RLC 支路，而与其它工作模式对于等效的支路可忽略。

所以，晶体谐振器的等效模型如图2.1，我们要清楚真正起谐振选频作用的是晶体本身，也就是串联RLC 支路，并联支路为其静态电容和封装电容。

晶体的阻抗表达式为：)(1)(22ps p s s p s s s s s s C C C C sR C C L s s C sR C L s s Z +++++= （2.1） 式2.1中Z 为晶体阻抗，s 为拉普拉斯变量，R s L s C s 分别为晶体的等效串联支路的电感电容和电阻，C p 为晶体的等效并联电容。

Rs CsCpLs图2.1 石英晶体等效模型和符号 对于AT 切片型石英晶片，其串联谐振频率f z (kHz)约为1670除以晶片的厚度T(mm),并联电容约为串联电容250倍，等效串联电阻为几欧姆到几百欧姆不等。

串联Q 值：s ss R L Q ω=并联Q 值：p p CR Q ω= 从晶体的等效模型可以看出，晶体存在着两个振荡频率，分别是串联谐振频率f s 和并联谐振频率f p 。

s s s C L f π21=)(21ps p s s p C C C C L f +=π f s 又称为本振频率，它只跟晶体本身的参数有关，同外部的影响无关。

我们希望晶振的工作频率越接近本振频率越好，因为并联谐振频率f p 跟C p 有关，而C p 又与外界的电容有关，有一定的不可控制性。

引入一个概念：牵引因子ρ，用来衡量振荡器相对于本振频率的偏移。

s s f f f -=ρ 一般情况下1<<ρ图2.2 石英晶体阻抗频率特性曲线根据谐振晶体的模型和阻抗表达式可以得到谐振晶体的阻抗特性图，如图2.2。

可以看出，在频率从低到高的增加的过程中，起初晶体可以被看作一个电容，其阻抗值随着频率的增加不断的降低。

频率增大到谐振频率f s处，情况出现变化，阻抗有一个90度的相移变为正值，即从容性变为感性。

事实上，晶体振荡器工作时就发生在f s 到f p的区域，此时晶体表现为电感特性，如果外部网络表现为电容特性提供一个负阻，就可能会发生振荡。

2.2 晶体振荡器的性能指标晶体振荡器的性能指标主要包括：功耗，相位噪声，振荡幅度，频率稳定度，启动时间，带负载能力等，其中最重要的是功耗和相位噪声。

2.2.1 功耗晶体振荡器的功耗分两部分，一部分是晶体的机械振动消耗，另一部分是有源振荡电路的消耗。

晶体功耗的表达式为：[]s x L p p x R V C C f P 2)(221+≈π其中，P x 为晶体的功耗，f p 为并联谐振频率，C L 为晶体的电容负载，V x 为晶体两端的输出电压幅度。

这一指标具有非常重要的意义，晶体参数一般会给出最大驱动功率，若在实际应用中晶体功耗超过了该值，则被称为过驱动。

过驱动的状态会加速晶体的老化，影响晶体的长期频率稳定性，严重时甚至会发生晶体的损坏，晶振停振等。

有源振荡电路的功耗可由瞬时功耗积分得到：dt t i v dt t p P t osc t osc ⎰⎰==00)()(但上式一般只用于理论上的工具求功耗，在实际设计时，晶体振荡电路的功耗同芯片内的其它模块的功耗一样，一般用平均电流I 来表示。

2.2.2 相位噪声晶体振荡器的频率稳定度分为两种：长期频率稳定度和短期频率稳定度。

我们知道，世界上所有的东西都不是一成不变的，谐振晶体随着使用时间的增加，会逐渐的发生老化，性能参数会慢慢的发生变化，随之它的谐振频率也会发生改变。

而且，周边环境的变化也会影响到晶振的谐振频率。

从长期时间上看，晶体频率的变化有一定的确定性。

该指标被称为晶振的长期频率稳定度。

随着晶体生产研究技术的发展，现在的晶体的长期频率稳定度一般都比较理想，通常可以控制在10ppm/10years内。

短期稳定度指的是噪声引起的振荡信号的频率波动。

通常有两种方法表示短期频率稳定度，从时间域上讲就是抖动时间，从频率域的角度考虑就是相位噪声。

晶体振荡器中低频偏处的相位噪声主要来源于晶体谐振器，而高频偏处的相位噪声则主要来自于振荡电路。

影响电路噪声变为相位噪声的因素包括：振荡电路特性的非线性，不稳定的振荡幅度以及过大的驱动功率。

频率综合器低频偏处的相位噪声会影响被调制信号，降低它的信噪比；高频偏处的相位噪声会干扰其它信号信道。

而频综中低频偏相位噪声的主要来源就是晶体振荡器。

因此，晶体振荡器的低相位噪声性能对整个射频收发系统来讲都是非常重要的。

2.2.3 晶振的其它衡量指标温度是影响晶体特性的另一个重要因素。

晶体的切割类型对它的温度特性影响相当大，虽然良好地切割角度可以使晶体得到很好的温度特性，但在一些对频率稳定度要求严格的系统中，必须要采用温度补偿技术提高晶振的温度稳定性。

供电电压，负载等也都是影响频率稳定度的因素。

所以为了追求高噪声性能，为了晶振提供专门供电的LDO电源必须的。

负载阻抗的变化会改变振荡环路中信号的相位从而对振荡频率有一定的影响，可以增加一个输出缓冲级来隔离负载阻抗。

2.3 Santos 结构晶体振荡器分析2.3.1 主振荡电路如图2.3（左）为Santos 晶体振荡器的主振荡电路，M1管是放大主管提供能量以维持振荡，电流源I B 是M1提供偏置电压。

图2.3（右）主振荡电路的小信号等效模型。

通常认为电流源较为理想，其输出阻抗可以被忽略，电容C3为晶体并联支路C p 和M1管漏栅寄生电容C GD 并联之和。

R B 与晶体模型并联，会降低晶体的Q 值，因此它的值要取得大一些。

图2.3 Santos 结构晶体振荡器及其小信号等效模型在本小节的电路分析中，我们采用阻抗分离的方法来研究电路，完成其起振时间，临界跨导等公式的推导。

图2.4是阻抗分离的示意图，Z c 为振荡电路阻抗，阻抗Z1，Z2，Z3用来表示电容C1，C2，C3，图2.4所示，有表达式：)//(21213Z Z g Z Z Z Z m c ++=图2.4 阻抗分离分析2.3.2 小信号线性分析2.3.2.1 起振时间和时间常数晶体振荡器没有输入信号，振荡过程是电路内部的噪声通过振荡电路的放大和过滤，从小到大，逐渐增强的过程。

在电路刚刚起振的时候，振荡信号的幅度非常小，属于线性小信号，此时可以用线性模型来分析电路，如图2.5。

当振荡信号幅度增大到一定的程度，电路的非线性环路增益降为1，电路的振荡就稳定下来。

假设振荡是以指数的形式建立起来的，即：)(0i t e I I τ=其中I 0为开始振荡时的电流幅度，)(i τ为时间常数。

电流I 的轨迹图如图2.5（右）所示。

时间常数表达式：R Z Li c +=)Re(2)()1(τ对上式进行处理，可以得到建立时间T ab :⎰=ib ia ab di i i T )(τ可以使用图解法来估算ii )(τ的值，如图2.6，得到T ab 的近似表达式：)ln(0a b ab i i T τ=代入晶体参数值可得，其中时间一般约为5-15τ图2.5 晶体等效电路和阻抗Zc 随电流幅度I 的变化曲线图2.6 图解法求起振时间2.3.2.2 临界跨导和牵引系数本节将在电路小信号模型的基础上，分析主振荡电路的起振情况，详细地推导振荡电路在线性条件下的起振条件，临界跨导和牵引系数，并给出个参数之间的关系。

为了便于分析，理论的推导都是基于理想无损线性模型，之后再考虑实际电路中的非理想情况对个参数的影响。

用容抗代替上式中的阻抗，可得：)()(132121213C C C C C s g C C s g sC Z m m c +++++= 进一步简化得：)(/13212123213C C C C C s g C C C sC Z m c +++-+= 图2.7为阻抗Zc 以跨导m g 为变量时，在复平面上的阻抗圆图。

可以看出，当m g 为零时，电路阻抗Zc 可以看做电容C3并联电容C1，C2的串联值，即))/((121213C C C C C Z c ++=ω；当m g 无穷大时，电路阻抗就为电容C3，3/1C Z c ω-=。

图2.7 以m g 为参数的阻抗Zc 的阻抗圆图从图2.7中可以看出，在跨导m g 从零增大到无穷大的过程中，电路阻抗Zc 在复平面上走过了一个半圆，从虚轴上的一点到另外一点。

阻抗圆的半径跟电容C1，C2，C3的值有很大关系。

在A 点时，电路阻抗实部为-Rs ，同晶体串联电阻Rs 相抵消，振荡器振荡稳定。

牵引系数ρ的值同阻抗Zc 的虚部相关。

可以看出，A 点离虚轴非常近，这说明在稳定振荡时电路的跨导值比较小。

A 点是振荡电路的临界条件点，A 点的临界跨导表示为crit m g ,。

从图2.7上看，B 点也是临界条件点，理论上讲B 点有振荡的最大跨导max ,m g ，但是B 点不满足相位稳定条件，不足以维持振荡。

opt m g ,对应于电路的最优效率值，当跨导为opt m g ,时电路的起振时间最短，若crit m g ,大于opt m g ,则电路不会起振。

阻抗圆的半径和牵引系数ρ相关，增大C1，C2的值可以有效地减小ρ值，但这也会引起功耗的增加。

如果振荡电路要顺利起振，需要克服晶体谐振器中的损耗，即阻抗Zc 实部的绝对值要远大于Rs,在这个前提条件下计算crit m g ,和ρ的近似值。

如果阻抗圆的半径很大，则Zc 的虚数部分和m g =0的值基本相等，所以有：)(1221213C C C C C C s ++-≈ωωρ 21213C C C C C C s++=ρ 令Re(Z c )=-R s ，则可得出：2123231212,)(C C C C C C C C R g s critm ++≈ω 又有品质因素s s C R Q ω/1=，则212212212323121,4)()(C C C C Q C C C C C C C C C QC g s s crit m +=++≈ρωω可以看出，临界跨导的大小同振荡频率成正比，但同2ρ成反比。

因此，增加跨导m g 的值，可大幅减小频率牵引参数ρ，提高了频率稳定度。