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近年来,无线通信技术高速发展,对低成本、高精度、低噪声和集成化晶体振荡器的需求迅猛增长。全集成的片上数控晶体振荡器(Digitally Controlled Crystal Oscillator,以下简称DCXO),借助射频基站发送的频率校正信号而产生的自动频率控制(Automatic Frequency Control,以下简称AFC)信号直接控制电容阵列,克服频率随温度和时间的漂移,同时满足系统对频率精度的要求。因此,DCXO以其易集成和低成本具有替代昂贵的压控式温度补偿晶振(Voltage Controlled Temperature Compensated Crystal Oscillator,以下简称VCTCXO)的巨大市场潜力。本文针对DCXO的设计关键,从晶振的基本理论着手,分析了系统性能指标,对构建DCXO系统的关键电路展开了详细的研究与设计。首先,介绍国内外研究现状,提出了数控晶体振荡器相比传统的TCXONCTCXO所具有的优势,以及实现DCXO的设计难点。为实现设计目标,概述了几种晶体振荡器的结构,分析各自的优缺点。在研究中,探讨了晶体谐振器的等效电路及衡量晶振性能的各项指标,分析了电路的理想与非理想特性。在此基础上,设计了基于Santos结构的晶振电路,给出了电路在起振阶段的小信号分析和大信号稳态分析。对大信号情况下,振荡幅度,晶体参数,偏置电流和器件尺寸之间的关系给出了量化的模型。电路引入了自动幅度控制来平衡相位噪声和功耗。数控电容阵列的设计采用14位的分段译码电容阵列,加入了一阶delta-sigma调制器来获得高精度的频率调谐。最后,给出电路的流片测试结果。测试结果表明：DCXO芯片面积0.5mm×0.8 mm,功耗为1.8 mW。DCXO振荡在25 MHz时,在频偏为1 kHz和10 kHz处的相位噪声分别为-139 dBc/Hz和-151 dBc/HZ。频率可调范围约为35 ppm,频率调谐精度0.04 ppm。在温度-40℃～+80℃内,频率变化±7ppm。