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38.4MHz低功耗低相噪TC-DCXO设计

作　者: 李东岳
导　师: 林兆军
学　校: 山东大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: TC-DCXO TD-LTE 温度补偿数字频率调节幅度控制 ∑-△调制
分类号: TN752
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

石英晶体振荡器为射频通信系统提供本振信号,为数字电路提供时钟,是通信系统中的重要模块,一般由一个石英晶体,外接一个电路组成,电路的作用为启振和频率调节,以达到稳定的周期信号。由于石英晶体的高品质因素和小接入系数,因此设计好的外部电路能使其得到稳定的频率和很低的相位噪声。DCXO,全称数字控制石英晶体振荡器(digitally controlled crystal oscillator),是未来通信系统的主要趋势,目前应用最广的仍为精度不高的压控晶体振荡器vcxO,国内对DCXO的研究还较少,因此对此的研究具有较高前瞻性。本设计目的为制作适合新一代通信标准的晶体振荡器,论文对一般晶体谐振器的工作原理和性能指标进行了概述,并介绍了主要的几种石英晶体振荡器,如压控、数控、温控,对各种晶体振荡器的原理进行了分析,总结出晶体振荡器的启振原理、频率控制方法和温度控制方法,并对功耗和相位噪声等进行了深入的理论分析。在此基础上,依托国家两个演进第4代通信标准TD-LTE 03重大专项项目,根据TD-LTE标准的要求,克服了新结构、新工艺、新通信标准的多重困难,设计了一款低功耗低相位噪声38.4MHzColpitts结构的TC-DCXO电路,其设计集成了温度补偿、数字频率调节、振幅控制等功能。其中振幅控制功能为降低功耗,电容阵列调节频率既准确又稳定,温度稳定模块使DCXO在指标要求的-25℃到85℃都能正常工作。本设计采用的是TSMCO.13μm CMOS工艺,电路的模拟部分：前仿真工具为Cadence的Spectre,版图设计工具为Cadence的virtuoso,后仿真验证工具是Calibre和Assura。数字部分：Verilog验证工具为Modelsim,综合工具为synopsis的DC,版图工具为encounter。数模混合仿真工具为cadence的spectre。论文主要分以下几部分展开：首先,介绍石英晶体振荡器的主要原理,并根据TC-DCXO的指标要求论述了各个模块的功能；其次,详细描述了各个模块的原理和实现方法；最后,分析了TC-DCXO的测试结果,并给出结论。本论文设计的38.4MHz低功耗低相噪TC-DCXO,实现了较低的相位噪声：142dBc/,Hz@1kHz,143dBc/Hz@10kHz,并有很好的温度稳定性从-25℃到85℃频率的变化为1.6ppm。使用了数字控制电容模块调节频率,12bit温度码控制255个电容阵列的开关,并用一个Σ-Δ调制器对另外一个开关进行Σ-Δ调制对了数字控制,是实现了瞬态频率调节步长,实现了频率稳定的调节。启振的时间为2.4ms,电路总的功耗为3mA。

38.4MHz低功耗低相噪TC-DCXO设计

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