20M低相位噪聲晶體振蕩器的設計

　　振蕩器的核心振蕩電路由M1、M2、C1、C2以及石英晶體組成。晶體管M1作為振蕩主管，M2管作為偏置電流源，振蕩器的輸出在M1管的柵端。為了得到比較理想的頻率偏移，C1、C2都取得比較大，分別為5p、10p。利用上節提到的負阻抗模型，對該電路進行分析，可得：

　　當振蕩器起振之后，振蕩波形幅度會不斷增大，一直到振蕩器件出現飽和為止。這期間可能會引起MOS管的擊穿，因此需要設計一個振幅控制電路。本文設計的振幅控制電路由M3～M14組成。M4、M5是一對非對稱差分管，M4的寬長比遠大于M5，M3是它們的偏置電流源。由于直流偏置一樣，這樣在起振的時候M5的電流遠小于M4，M8可以提供該電流，此時M9、M10關斷只有很小的亞閾值電流。R3的電流只由M11、M12、M13、M14以及帶隙基準組成的電流鏡提供，M2的柵源電壓VSG2=VDD-R3I11，所以M2能夠提供較大的電流，使振蕩器在較大的正反饋增益下迅速起振。

　　在起振之后輸出電壓振幅不斷增大，M4、M5的反向交流電流也按尺寸比例分配，使通過兩者的平均電流不斷接近，當振蕩幅度達到一定大小時，兩個管子平分M3的電流。此時M8不足以提供M5的電流，M9就進入飽和態導通補足所需的電流，同樣M10也導通，所以流過R3的電流增大變為I10+I11，M2的柵源電壓變小，從而M2的電流下降，振蕩器趨于穩定，輸出幅度穩定下來。R3和C4決定振幅控制電路的時間常數，它的值太小會引入幅度波動，太大則會使響應過慢，需要進行折衷考慮。

　　相位噪聲是晶體振蕩器最重要的指標，它直接影響鎖相環回路的工作性能，決定了芯片對射頻信號接收與處理靈敏度，甚至決定了整個電路能否正常工作。通過仿真和分析可知，振蕩器電路的主要噪聲源是電流鏡M11、M12、M13、M14的閃爍噪聲，通過影響M2的柵源電壓，把噪聲傳遞到主振蕩電路，從而影響振蕩輸出的相位噪聲。因此本文提出在M2的柵端添加一個由R2、C3組成的RC濾波器，濾掉振幅控制電路的噪聲，顯著地提高相位噪聲指標。選取R2、C3的值時，要綜合考慮濾波器的帶寬及電阻電容的面積。

　　晶振的輸出緩沖級由隔直電容C5、自偏置結構R4、M15、M16、以及M17、M18、M19、M20組成的反相器鏈構成，可以得到全擺幅的方波輸出。

2 電路版圖及仿真

　　電路使用SMIC 0.18μm工藝實現，圖5是該電路芯片的顯微鏡照片，面積約為550×185μm。

　　利用Cadence Spectre軟件工具對晶體振蕩器進行仿真，其輸出波形如圖6所示的方波，峰峰值為1.56V，起振時間約為0.6ms。圖7表示的是振蕩器的相位噪聲性能，在偏離中心頻率1kHz、10kHz、1MHz處的相位噪聲分別為：-121dBc/Hz、-145dBc/Hz、165dBc/Hz。

　　對加RC濾波器之前的晶體振蕩器進行仿真，起振時間振蕩幅度都基本沒有改變。但其相位噪聲性能如圖8所示，在偏離中心頻率1kHz、10kHz、1MHz處的相位噪聲分別為：-110dBc/Hz、-127dBc/Hz、-143dBc/Hz。

　　可見，濾波器顯著提高了晶體振蕩器的相位噪聲性能，達到了設計的目的。