【一种超低功耗低相噪fbar振荡器—上海博迅医疗生物仪器股份有限公司】,上海博迅-国际云顶yd4008

提出了一种基于fbar（film bulk acoustic wave resonator）的差分colpitts振荡器结构。相比于传统的colpitts振荡器结构，移除尾电流源的设计减少了近偏频相位噪声的主要来源。交叉耦合差分对和耦合变压器的结合提高了振荡所需要的有效负跨导，减小了振荡电路对于启动电流的要求，同时也增加了低电源电压下的输出摆幅，降低了相位噪声。该振荡器工作在c类状态下，有效的提高了电流利用率，保证电流相等的情况下达到更好的相位噪声性能。选用具有高q值的1.865ghz-fbar作为振荡器的谐振腔，cmos电路部分均在smic55nmrfcmos工艺支持下完成。仿真结果表明，在0.6v电源电压下，输出载波频率为1.876ghz，相位噪声分别在1khz偏频和1mhz偏频时达到-84dbc/hz和-146dbc/hz，功耗仅为83μw，整体fom值为-225。

在现代无线通信系统中，振荡器作为频率综合器和参考时钟的重要组成部分，其功耗和相位噪声对整体电路性能来说至关重要。在振荡器的设计中选用一个高q值的谐振网络可以明显降低功耗和相位噪声。近年来高q值的fbar凭借着自身体积小，成本低，易集成，应用频段更广等众多优势，正逐渐成为石英的替代品。但是与石英振荡器相比，fbar振荡器在相位噪声性能上表现较差，其相位噪声性能尤其是近偏频相位噪声性能成为了fbar振荡器的重要研究内容，这也是fbar能够在更多应用中取代石英晶体的关键条件。
除了相位噪声之外，振荡器的功耗一直是实现低功耗收发机的重要瓶颈。如图1所示，在2018年jssc上发表的一种基于fbar的zigbee接收机中显示，fbar振荡器的功耗占比超过百分之三十[1]。为了满足特定的无线通信应用的要求，通常通过增加工作电流去增大输出摆幅，但是功耗也会因此增加，而且近偏频相位噪声并不会得到改善。

近年来，为了改善相位噪声性能，不同的拓扑结构都已经成功应用在fbar振荡器中。包括单端的pierce结构[2]和差分的b类[3]，c类结构[4]等。
其中pierce振荡器虽然在整体性能上表现优越，但是因为不能提供差分输出，在应用中会有很多限制。b类和c类中采用互补mos管，过多的mos管堆叠并不适用于低电压的应用。colpitts结构相位噪声性能表现非常突出，但是因为colpitts振荡器对于启动电流要求较高，所以很少应用于低压低功耗的应用中。本文提出了一种适用于低压低功耗应用的差分colpitts振荡器，在满足相位噪声要求的前提下，功耗最低可以低至83μw。
文章第1节主要介绍基于fbar的差分colpitts振荡器的整体设计思路；第2节介绍了fbar振荡器的关键模块设计，包括设计中的重要考虑；第3节包括了仿真结果分析以及文献对比；第4节给出结论。