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一种超高频率稳定度的ATCXO电路的研究与设计

刘宇  
【摘要】:从人们认识到时间以来,能够准确的获取测量时间的频率源一直是人们所追求的目标,石英晶体振荡器由于具有很高的空载品质因数和极小的接入系数,因此具有良好的频率稳定性而作为重要的时钟信号基准来使用。同时,便携式电子产品的飞速发展,就手机来说2013年一年全球的出货量达到18亿部,一部手机至少会有一个石英晶振,需求量巨大,在晶体振荡器高性能、小型化、低功耗、高频率稳定度等多重要求下,晶体本身所固有的温度特性,成为影响其性能并且制约其应用的一种重要因素,因此出现了专门针对晶体温度特性而进行补偿的芯片,现在已有数字温补晶振、微机补偿晶振、模拟温补晶振等几种不同方式补偿的晶体振荡器,模拟温补晶振以其在芯片面积、成本、补偿精度等方面很好的平衡,得到了广泛的应用,获得高频率稳定度的简单易集成的模拟温补晶振也是本文的研究重点。本文设计了一种超高频率稳定度的模拟温度补偿晶体(ATCXO)振荡器电路,该芯片利用先进的模拟集成电路制造工艺,将模拟补偿电路及压控晶体振荡器集成于一颗芯片中,使晶体在使用时只需和一颗芯片搭配使用(可封装于同一个管壳内),即可在较宽温度范围内提供高精度的频率源。论文首先研究了石英晶体的特性和等效电路,讨论了ATCXO的种类和架构,提出了晶体振荡器频率随温度漂移的解决办法。利用电路实现了温度检测、五次方函数发生器、压控振荡器(VCXO)等电路,并通过芯片内嵌的EEPROM及ROM对补偿电路进行修调,可进一步提高其补偿精度。其中带隙基准电路采用Cascode结构,电源抑制比高,VCXO选用皮尔斯电容三端式振荡器,并针对其缺点进行改进,补偿电容采用反型MOS可变电容,实现起来成本低,接着利用HSPICE傅里叶分析研究了CMOS在大信号下的电容特性,五次方函数发生器采用CMOS工艺,成本低,功耗小,修调电路通过对五次方函数电压的温度拐点、五次项系数、四次项系数、三次项系数、一次项系数、晶振起振频率等参数进行事先调整,通过参数的调整可对不同规格的晶体振荡器进行频率补偿,实现稳定的频率输出。本文中的ATCXO采用的五次方函数补偿比三次函数补偿更加精准,补偿过得温度频率稳定度更加高。最后,在完成电路原理分析及子电路设计的基础上,采用先进的0.35μm模拟芯片生产工艺,绘制版图且完成流片,设计出满足移动通讯、数字网络和各种便携式电子产品等需求的芯片,供电电压2.7~5.5V,频率为10MHz~52MHz,其在-40~85℃(-20~70℃)范围内,随温度频率偏移小于±1ppm(±0.5ppm),用于弥补国内这种芯片被国外企业垄断的现状。整个设计流程在linux系统下基于HSPICE仿真工具、Cadence集成电路设计环境完成的。


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