第29卷第1期 华 中 科 技 大 学 学 报 Vol. 29 No. 12001年 1月 J. Huazhong Univ. of Sci. &Tech. Jan. 2001
一种压控石英晶体振荡器电路的设计
陈 钊 刘三清 余岳辉 贺小勇
(华中科技大学电子科学与技术系)
摘要:分析了压控石英晶体振荡器(VCXO ) 的原理、设计特点, 该部分, 振荡器进行实时频率控制和振幅调整. 、. 关 键 词:; ; A :100028616(2001) 0120056203
在现代电子系统中, 往往利用振荡器来产生标准的参考频率, 为系统提供一个时钟基准信号.
由于石英晶体具有很高的Q 值, 其相移随频率的变化很大, 因此, 在石英晶体振荡器中, 只要有微小的频率变化, 石英晶体振荡器就会产生很大的相移来补偿电路其他部分引起的相位变化, 从而达到稳定频率的作用. 压控石英晶体振荡器(VCXO ) 就是利用这种特性进行工作的, 通过改变VCXO 两端的电压, 实现对频率的线性控制. 对VCXO 的基本要求是:频率稳定度好, 压控灵敏度高, 控制特性的线性度好, 线性区域宽等[1～3]. 本文描述的压控电路利用反馈实现了对频率的线性控制, 同时还设计了振幅反馈(自动增益控制) 电路对振幅进行调整.
180°, 使之工作在线性放大区, 晶体谐振器XTAL
与C t1和C t2组成的Π形网络产生180°的相移, 从而总相移达到360°, 又由于反相器工作在线性放大区, 其电压增益远远大于1, 因此满足振荡的两个基本条件.
变容二极管pn 结的结电容C j 与加于变容二极管上的反向偏压V R 之间的关系为
n
C j =K/(V R +Φ) ,
(1)
1 VCXO 压控原理
VCXO 的主振电路如图1所示,
石英晶体谐
式中, K 为常数; Φ为接触电势差; n 为变容指
数, 与pn 结的杂质分布情况有关[1].
若用反相器的恒流源等效电路代替反相器, 则图1所示的电路就是皮尔斯振荡电路. 若不考虑反相器跨导的相角对频率的影响(实际上, 跨导的相角过大将使振荡器不满足零相位条件, 因而振荡器将振荡在与谐振器无关的其他频率上[1]) , 并设C t1=C t2=C j , 则C t1与C t2相串联作为晶体谐振器的负载电容C L , 即
(2) C L =1/(1/C t1+1/C t2) =C j /2. 由谐振条件, 令回路总电抗为零, 可计算得振
荡频率
ω≈ω0{1-[C q /(2C 0) ][C L /(C 0+C L ) ]},
(3)
式中, ω0为回路自然谐振频率, ω0=[(C q +C 0) /
图1 VCXO 主振电路
(L q C q C 0) ]1/2.
荡器的标称振荡频率是35. 328M Hz. 振荡电路采
用的是单门晶体振荡器. 图1中C t1与C t2是由电压控制的可调电容, 在使用中用变容二极管代替; 电阻R 1起到偏置反相器的作用, 使信号相移
收稿日期:2000208221.
由式(1) ～(3) , 得ω≈ω01-,
2C 02C 0(V R +Φ) n /K +可见当V R 减小时, ω亦相应减小, 即振荡频率下降, 反之振荡频率上升.
作者简介:陈 钊(19752) , 男, 硕士研究生; 武汉, 华中科技大学电子科学与技术系(430074) .
第1期 陈 钊等:一种压控石英晶体振荡器电路的设计 57
W[7～0], 其中低四位W[3～0]直接送入SUB 2
2 电路结构
VCXO 的原理框图如图2所示,
图中各部分
DAC 作D/A 转换, 高四位W[7～4]经4～16译
码电路产生片选信号以对16个SUB 2DAC 进行
选择, 未被选中的SUB 2DAC 的分压电阻将全部接在分压通路上. 这样,DAC 即可达到16×24=28的精度.
放大及频率控制电路. 原理图如图4所示
,
图 , 、振幅合适的时钟信号, . 电路各部分功能与原理分述如下.
B IAS. B IAS 电路为整个VCXO 电路提供一个稳定的偏置电压, 以保证整个电路能稳定工作, 在B IAS 电路中包含有自启动电路, 以避免零电流状态,B IAS 电路用改进的威尔逊电流镜等构成反馈回路. 这个电路能在弱反型阈值电压下工作以便获得一个低功耗、低电源电压的基准.
DAC. 这是一个8位分辨率的数/模转换器,
图4 放大及频率控制电路
接收由DAC 输出的控制信号DAC 2OU T , 经缓
冲、滤波和比较放大, 作用于PMOS 管MP 及pnp 晶体管TP 上, 形成受DAC 2OU T 控制的电压, 以调节压控电容的偏置电压, 改变可调电容的大小. DAC 2OU T 输入到N 沟输入CMOS 差分放大器GM 1的反相输入端. 假设某时刻DAC 2OU T 升高,
则PMOS 管MP 栅源电压|V GSMP |将减小, 使得流经MP 及TP 的电流减小, 压控振荡器的压控电压随之下降, 若压控电容采用二极管电容, 则电容增加, 振荡频率下降. 反之, 若DAC 2OU T 降低, 则振荡频率上升, 从而达到控制频率的目的.
时钟产生及振幅控制电路. 这部分电路是整个VCXO 中重要的组成部分, 它能对振荡信号进行振幅调整以产生规整的高稳时钟信号. 电路如图5所示, 由振荡器、自动振幅控制(A GC ) 电路、参考电压产生电路和偏置电路等部分组成
.
其原理图如图3所示. DAC 内含16个4
位分压
图3 DAC 原理图
式D/A 转换器SUB 2DAC. 信号B [7～0]是由
DSP 送来的控制信号, 经BU FFER 缓冲后送出
图5 时钟产生及振幅控制电路
为防止由于温度、电源、工艺等引起的频率漂
移, 需要对振幅进行调整. 当振荡器的增益过大时, 输出波形将会失真, 增益过小, 振荡器将停振. 因此, 本设计采用了自动增益控制电路. 如图4所示, C 2, R 3和反相放大器(-A 1) 构成微分放大器, 对从XTALO 送入的振荡信号进行采样、放
华 中 科 技 大 学 学 报 2001年58
大, 再经由C 3, R 4和C 4组成的低通Π型滤波器滤波后, 由放大器(-A 2) 放大, 这样, 在A 点得到的就是经放大的随振幅变化的电压信号V A . V A 接在差分输入电压比较器(它的开环增益很大) 的反相输入端, 与同相输入端的参考电压V B 进行比较, 比较结果送给M 3的栅极, 从而控制振荡放大器M 1和M 2的增益. 当振幅过大时, 差分输入比较器的输出将使得M 3的栅极电位下降, 等效电阻减小, 振荡放大器的增益减小, 输出振荡信号的振幅相应减小; 反之, 输出振荡信号的振幅会相应增大. 当振荡信号的振幅为某一幅值时到动态平衡, .
M 4～756电路, . M 4和M 7处于饱和态, 而M 5和M 6处于微饱和态, 这两个PMOS 管的栅压分别取自D 点和C 点, 电流i 1为M 6和M 7的漏源电流之和, 即i 1=i dM 6+i dM 7, 假
端的电压是电阻R 7上的电压, 差分放大器的输出给了由M 9,M 12和R 7构成的双向输出放大器, 其源极输出至差分放大器的反相输入端, 而反相输出到放大器M 8. 由于差分放大器和双向输出放大器的反馈作用, 可维持电流i 3的基本恒定, 经M 8和M 9电流镜像作用后, 产生恒定的偏置电流提供给整个时钟产生电路.
运用TSPICE (Tannar , 使用标准的, ,VCXO 的输出振, 基本满足电路的要求. 选用了标称频率为35. 328MHz 的晶体谐振器模型, 频率调整范围为±50×10-6,VCXO 的输出电流为1mA. 如果能对时钟产生及振幅控制电路作进一步改进, 将使输出的时钟信号的稳定度更好.
参
考
文
献
设由于电源电压波动导致i 1增大, 使得M 6栅压升高,M 6的栅源电压│V GS │将下降, 则i dM 6下降, 从而维持i 1基本恒定. M 5栅压取自V D , 而V D 基本不受电源电压波动影响, 所以, i 2也是恒定的, 从而B 点电压不受电源电压变化的影响.
M 8右侧的电路构成偏置电路, 为整个时钟产生电路提供偏置电流. 电路开始工作时, V c 使M 11偏置到工作电压. 其中差分放大器A 4的同相输入端电压取自源跟随器M 11的输出, 反相输入
[1]赵声衡. 石英晶体振荡器. 长沙:湖南大学出版社,
1997.
[2]Vittoz E A , Degrauwe M G R , Bitz S. High 2perfor 2
mance Crystal Oscillator Circuits :Theory and Applica 2tion. IEEE J. S olid 2state Circuits , 1988, 23(3) :774
～783
[3]弗雷金M E. 晶体振荡器设计与温度补偿. 杜丽冰, 詹
汉强译. 北京:人民邮电出版社,1985.
The Circuit Design of a Voltage 2controlled
Crystal Oscillator
Chen Zhao L i u S anqi ng Y u Y uehui He Xiaoyong
Abstract :A general theory of voltage 2controlled crystal oscillator (VCXO ) is discussed. An integrated VCXO driver circuit is presented which contains mainly a frequency controlled circuit and an automatic gain control circuit. This driver circuit can be used to tune the frequency and regulate the amplitude of crystal oscillator. The VCXO circuit can put out clock signals with high stable frequency and the constant ampli 2tude.
K ey w ords :voltage 2controlled crystal oscillator (VCXO ) ; frequency control ; automatic gain control Chen Zhao Postgraduate ; Dept. of Electronics Sci. &Tech. , HUST , Wuhan 430074, China.
第29卷第1期 华 中 科 技 大 学 学 报 Vol. 29 No. 12001年 1月 J. Huazhong Univ. of Sci. &Tech. Jan. 2001
一种压控石英晶体振荡器电路的设计
陈 钊 刘三清 余岳辉 贺小勇
(华中科技大学电子科学与技术系)
摘要:分析了压控石英晶体振荡器(VCXO ) 的原理、设计特点, 该部分, 振荡器进行实时频率控制和振幅调整. 、. 关 键 词:; ; A :100028616(2001) 0120056203
在现代电子系统中, 往往利用振荡器来产生标准的参考频率, 为系统提供一个时钟基准信号.
由于石英晶体具有很高的Q 值, 其相移随频率的变化很大, 因此, 在石英晶体振荡器中, 只要有微小的频率变化, 石英晶体振荡器就会产生很大的相移来补偿电路其他部分引起的相位变化, 从而达到稳定频率的作用. 压控石英晶体振荡器(VCXO ) 就是利用这种特性进行工作的, 通过改变VCXO 两端的电压, 实现对频率的线性控制. 对VCXO 的基本要求是:频率稳定度好, 压控灵敏度高, 控制特性的线性度好, 线性区域宽等[1～3]. 本文描述的压控电路利用反馈实现了对频率的线性控制, 同时还设计了振幅反馈(自动增益控制) 电路对振幅进行调整.
180°, 使之工作在线性放大区, 晶体谐振器XTAL
与C t1和C t2组成的Π形网络产生180°的相移, 从而总相移达到360°, 又由于反相器工作在线性放大区, 其电压增益远远大于1, 因此满足振荡的两个基本条件.
变容二极管pn 结的结电容C j 与加于变容二极管上的反向偏压V R 之间的关系为
n
C j =K/(V R +Φ) ,
(1)
1 VCXO 压控原理
VCXO 的主振电路如图1所示,
石英晶体谐
式中, K 为常数; Φ为接触电势差; n 为变容指
数, 与pn 结的杂质分布情况有关[1].
若用反相器的恒流源等效电路代替反相器, 则图1所示的电路就是皮尔斯振荡电路. 若不考虑反相器跨导的相角对频率的影响(实际上, 跨导的相角过大将使振荡器不满足零相位条件, 因而振荡器将振荡在与谐振器无关的其他频率上[1]) , 并设C t1=C t2=C j , 则C t1与C t2相串联作为晶体谐振器的负载电容C L , 即
(2) C L =1/(1/C t1+1/C t2) =C j /2. 由谐振条件, 令回路总电抗为零, 可计算得振
荡频率
ω≈ω0{1-[C q /(2C 0) ][C L /(C 0+C L ) ]},
(3)
式中, ω0为回路自然谐振频率, ω0=[(C q +C 0) /
图1 VCXO 主振电路
(L q C q C 0) ]1/2.
荡器的标称振荡频率是35. 328M Hz. 振荡电路采
用的是单门晶体振荡器. 图1中C t1与C t2是由电压控制的可调电容, 在使用中用变容二极管代替; 电阻R 1起到偏置反相器的作用, 使信号相移
收稿日期:2000208221.
由式(1) ～(3) , 得ω≈ω01-,
2C 02C 0(V R +Φ) n /K +可见当V R 减小时, ω亦相应减小, 即振荡频率下降, 反之振荡频率上升.
作者简介:陈 钊(19752) , 男, 硕士研究生; 武汉, 华中科技大学电子科学与技术系(430074) .
第1期 陈 钊等:一种压控石英晶体振荡器电路的设计 57
W[7～0], 其中低四位W[3～0]直接送入SUB 2
2 电路结构
VCXO 的原理框图如图2所示,
图中各部分
DAC 作D/A 转换, 高四位W[7～4]经4～16译
码电路产生片选信号以对16个SUB 2DAC 进行
选择, 未被选中的SUB 2DAC 的分压电阻将全部接在分压通路上. 这样,DAC 即可达到16×24=28的精度.
放大及频率控制电路. 原理图如图4所示
,
图 , 、振幅合适的时钟信号, . 电路各部分功能与原理分述如下.
B IAS. B IAS 电路为整个VCXO 电路提供一个稳定的偏置电压, 以保证整个电路能稳定工作, 在B IAS 电路中包含有自启动电路, 以避免零电流状态,B IAS 电路用改进的威尔逊电流镜等构成反馈回路. 这个电路能在弱反型阈值电压下工作以便获得一个低功耗、低电源电压的基准.
DAC. 这是一个8位分辨率的数/模转换器,
图4 放大及频率控制电路
接收由DAC 输出的控制信号DAC 2OU T , 经缓
冲、滤波和比较放大, 作用于PMOS 管MP 及pnp 晶体管TP 上, 形成受DAC 2OU T 控制的电压, 以调节压控电容的偏置电压, 改变可调电容的大小. DAC 2OU T 输入到N 沟输入CMOS 差分放大器GM 1的反相输入端. 假设某时刻DAC 2OU T 升高,
则PMOS 管MP 栅源电压|V GSMP |将减小, 使得流经MP 及TP 的电流减小, 压控振荡器的压控电压随之下降, 若压控电容采用二极管电容, 则电容增加, 振荡频率下降. 反之, 若DAC 2OU T 降低, 则振荡频率上升, 从而达到控制频率的目的.
时钟产生及振幅控制电路. 这部分电路是整个VCXO 中重要的组成部分, 它能对振荡信号进行振幅调整以产生规整的高稳时钟信号. 电路如图5所示, 由振荡器、自动振幅控制(A GC ) 电路、参考电压产生电路和偏置电路等部分组成
.
其原理图如图3所示. DAC 内含16个4
位分压
图3 DAC 原理图
式D/A 转换器SUB 2DAC. 信号B [7～0]是由
DSP 送来的控制信号, 经BU FFER 缓冲后送出
图5 时钟产生及振幅控制电路
为防止由于温度、电源、工艺等引起的频率漂
移, 需要对振幅进行调整. 当振荡器的增益过大时, 输出波形将会失真, 增益过小, 振荡器将停振. 因此, 本设计采用了自动增益控制电路. 如图4所示, C 2, R 3和反相放大器(-A 1) 构成微分放大器, 对从XTALO 送入的振荡信号进行采样、放
华 中 科 技 大 学 学 报 2001年58
大, 再经由C 3, R 4和C 4组成的低通Π型滤波器滤波后, 由放大器(-A 2) 放大, 这样, 在A 点得到的就是经放大的随振幅变化的电压信号V A . V A 接在差分输入电压比较器(它的开环增益很大) 的反相输入端, 与同相输入端的参考电压V B 进行比较, 比较结果送给M 3的栅极, 从而控制振荡放大器M 1和M 2的增益. 当振幅过大时, 差分输入比较器的输出将使得M 3的栅极电位下降, 等效电阻减小, 振荡放大器的增益减小, 输出振荡信号的振幅相应减小; 反之, 输出振荡信号的振幅会相应增大. 当振荡信号的振幅为某一幅值时到动态平衡, .
M 4～756电路, . M 4和M 7处于饱和态, 而M 5和M 6处于微饱和态, 这两个PMOS 管的栅压分别取自D 点和C 点, 电流i 1为M 6和M 7的漏源电流之和, 即i 1=i dM 6+i dM 7, 假
端的电压是电阻R 7上的电压, 差分放大器的输出给了由M 9,M 12和R 7构成的双向输出放大器, 其源极输出至差分放大器的反相输入端, 而反相输出到放大器M 8. 由于差分放大器和双向输出放大器的反馈作用, 可维持电流i 3的基本恒定, 经M 8和M 9电流镜像作用后, 产生恒定的偏置电流提供给整个时钟产生电路.
运用TSPICE (Tannar , 使用标准的, ,VCXO 的输出振, 基本满足电路的要求. 选用了标称频率为35. 328MHz 的晶体谐振器模型, 频率调整范围为±50×10-6,VCXO 的输出电流为1mA. 如果能对时钟产生及振幅控制电路作进一步改进, 将使输出的时钟信号的稳定度更好.
参
考
文
献
设由于电源电压波动导致i 1增大, 使得M 6栅压升高,M 6的栅源电压│V GS │将下降, 则i dM 6下降, 从而维持i 1基本恒定. M 5栅压取自V D , 而V D 基本不受电源电压波动影响, 所以, i 2也是恒定的, 从而B 点电压不受电源电压变化的影响.
M 8右侧的电路构成偏置电路, 为整个时钟产生电路提供偏置电流. 电路开始工作时, V c 使M 11偏置到工作电压. 其中差分放大器A 4的同相输入端电压取自源跟随器M 11的输出, 反相输入
[1]赵声衡. 石英晶体振荡器. 长沙:湖南大学出版社,
1997.
[2]Vittoz E A , Degrauwe M G R , Bitz S. High 2perfor 2
mance Crystal Oscillator Circuits :Theory and Applica 2tion. IEEE J. S olid 2state Circuits , 1988, 23(3) :774
～783
[3]弗雷金M E. 晶体振荡器设计与温度补偿. 杜丽冰, 詹
汉强译. 北京:人民邮电出版社,1985.
The Circuit Design of a Voltage 2controlled
Crystal Oscillator
Chen Zhao L i u S anqi ng Y u Y uehui He Xiaoyong
Abstract :A general theory of voltage 2controlled crystal oscillator (VCXO ) is discussed. An integrated VCXO driver circuit is presented which contains mainly a frequency controlled circuit and an automatic gain control circuit. This driver circuit can be used to tune the frequency and regulate the amplitude of crystal oscillator. The VCXO circuit can put out clock signals with high stable frequency and the constant ampli 2tude.
K ey w ords :voltage 2controlled crystal oscillator (VCXO ) ; frequency control ; automatic gain control Chen Zhao Postgraduate ; Dept. of Electronics Sci. &Tech. , HUST , Wuhan 430074, China.