A 20MHz Low Phase-Noise 0.35μm CMOS Crystal Oscillator

A  20MHz  Low  Phase-Noise  0.35μm  CMOS  Crystal  Oscillator  GENG  Jian-qiang,  LAN  Jia-long(School  of  Electronic  Engineering,  University  of  Electronic  Science  and  Technology  of  China  Chengdu  610054  China)Abstract  The  design  procedure  of  a  CMOS  process  integrating  Colpitts  cr  ystal  oscillator  is  described  in  detail  by  using  the  tools  of  Matlab  and  advanced  design  system  (ADS).  The  small-signal  analysis  is  performed  both  in  the  viewpoint  of  negative  resistance  and  positive  feedback.  The  analysis  of  condition  for  reliable  start-up  of  oscillation  and  design  guides  for  low  phase  noise  is  introduced.  The  measured  phase  noise  is  −172dBc/Hz@10  kHz  and  the  power  dissipation  is  0.36  mW  at  power  supply  3V.Key  words  Colpitts  crystal  oscillator;  start-up;  phase  noiseCrystal  oscillator  is  an  integral  part  of  radio  frequency  (RF)  and  digital  devices.  As  well  known,  the  analysis  and  design  of  oscillation  can  be  based  on  two  fundamental  models,  the  negative-resistance  model  and  the  feedback  model[1].  By  using  of  the  two  models,  the  analysis  and  design  procedure  for  a  low  phase  noise  0.35  μm  CMOS  process  integrating  Colpitts  crystal  oscillator  is  proposed.  We  begin  with  the  calculation  of  the  minimum  value  of  transconducdance  necessary  for  starting  up  of  oscillation  in  the  viewpoint  of  negative  resistance,  and  then  by  positive  feedback  model,  the  analysis  of  oscillation  frequency,  phase  noise  of  oscillator  will  be  performed  and  relevant  design  guides  be  presented.  Finally,  this  design  is  confirmed  by  the  experimental  results.1  SectionA  crystal  unit  is  equivalent  to  the  following  circuit  as  shown  in  Fig.1[2]  .  Now  let’s  look  at  a  20  MHz  crystal’s  electrical  specifications  used  in  this  design:  C0=5  pF,  L1=6.3  mH,  C1=0.01  pF,  R1=40  .Ω