MS石英晶振最优起振条件分析与电路设计.doc

CMOS石英晶振最优启振条件分析与电路设计 本文基于自动控制原理，对Pierce CMOS晶振电路的启振条件作了详细的分析，对 电路中影响石英晶振起振的各种寄生参数作了深入研宂，结合Matlab对理论分析作了验证， 并以15Mhz晶振为例，没计了一个保证晶振可靠起振的最优反相器，最后通过HSPICE模 拟进一步验证了理论分析的正确性。 关键词：CMOS；石英晶振；启振条件 The optimum start-up conditions analysis andCircuit design of CMOS Crystal Oscillator Jiang Renjie (School of Computer Science，National University of Defense Technology) Abstract： This paper investigates the start-up conditions in Pierce CMOS crystal oscillator base upon the auto-control principle . The effect of oscillator start-up conditions caused by crystal circuit parasitics has been analyzed theoretically in detail. The result of theoretical analysis is verified using Matlab, and the optimum inverter which can guarantee circuit oscillate reliably has been designed for the 15Mhz crystal oscillator as an example. Finally, using Hspice simulation， the correctness of the theoretical analysis is verified further. Key words Key words： CMOS，Crystal oscillator，Start-up condition 了各种参数对电路性能的影响，得到使晶振 电路起振的环路增益的范围，并结合Matlab 得到一个最优值，最后以15MHz晶振电路 设计为例，在SMIC 130nm CMOS工艺下， I ?引言 在现代电子系统中，Pierce CMOS晶振 电路，作为时钟发生器，得到越來越广泛的 应用UPra基于CMOS反相器的石英晶 体振荡器是一种常用的结构，然而，以前的 分析直接从电路结构入手，没有把晶振电路 作为一个控制系统来分析，也没有很好的关 注晶振中寄生参数对振荡器起振的影响 [8][101,只是说明了反相器在某一尺寸可以起 振，并没有说明怎样设计一个反相器，使某 尺寸在一个范围内都能使晶振电路可靠起 振，以及怎么使其快速起振。晶振电路在固 定偏置下，即使环路增益满足“巴克豪森准 则”，振荡器似乎能够振荡，而实际上如果 环路增益太大，电路也不能起振。本文针对 这些问题，把晶振电路从控制系统的角度， 结合自动控制原理进行理论分析，详细说明 通过Spice模拟验证理论分析的正确性。 II.原理 石英谐振器简称晶体，是晶体振荡的核 心原件，它由石英晶体片、电极、支架及其 他辅助装置组成，是利用石英晶体的压电效 应原理制成的电、机械振荡系统。如阁1足 石英晶振的等效电路。 rat石鎚酹魷路 「叫 1 oystal eq/iate^orcut 石英晶振由等效电阻Ru、等效电感U 和等效电容（30组成的串联振荡M路与静态 电容C3并联组成。在等效电路中，U、Co 组成串联谐振电路，谐振频率为[5]: 的反馈因子，结合晶振的感抗产生振荡所需 的另外180°相移，在加上反相器提供的18（/ 相移，只要电路环路增益满足“巴克豪森准 则”⑺： /o (1) Z/7(M)= 180° 而Lq、Q）又与C3组成并联谐振回路, 谐振频率力： 那么电路就会在仍0处起振。这两个条件是 Co + C3 必须的但还不充分，在存在温度和工艺变化 （2） 的情况下为了确保振荡，典型地我们将选择 环路增益至少两倍或三倍于所要求的值。 当工作频率/＜A时，晶体呈容性； 当工作频率人＜’＜人时，晶体呈感性； 而当工作频率,＞时，晶体呈容性。晶 体在晶体振荡器主振级的振荡电路中呈现 感性，即工作频率满足乂＜’＜1。 如图2是常用的Pierce振荡器拓扑图。 | JZP*roen：j Rirece crystal □scillatcf crouit Pierce