基于CMOS振蕩器技術(shù)的硅頻率控制

　　摘要：高精度、低噪聲和低功耗的無(wú)晶體固態(tài)振蕩器技術(shù)讓頻率控制器件可以通過(guò)常見(jiàn)的 CMOS 技術(shù)被移植到最低成本的架構(gòu)中。盡管其固有的 Q LC tank 較低，但創(chuàng)新的設(shè)計(jì)達(dá)到了與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)晶體或MEMS振蕩器相媲美的性能。該白皮書(shū)詳細(xì)地描述了創(chuàng)新的技術(shù)打破石英占領(lǐng)多年市場(chǎng)的局面。

　　由于有了高精度、低噪聲和低功耗的 CMOS 振蕩器，所以頻率控制器件可以采用成本最低的架構(gòu)，并用全硅解決方案構(gòu)成頻率源。不過(guò)，CMOS 技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)高 Q(品質(zhì)因數(shù))組件。例如，一個(gè)集成的電感器的品質(zhì)因數(shù)(Q-factor)在10 到 20 之間。但是，CMOS 技術(shù)支持高頻振蕩器設(shè)計(jì)。所以在 CMOS 振蕩器中，品質(zhì)因數(shù)-頻率(Q-f)之積很高。因此，盡管與 MEMS 振蕩器和晶體振蕩器相比，CMOS 諧振器的品質(zhì)因數(shù)很低，CMOS 振蕩器仍能實(shí)現(xiàn)低噪聲。由于不同技術(shù)的品質(zhì)因數(shù)-頻率之積相同，所以采用不同技術(shù)的產(chǎn)品的性能是類(lèi)似的。盡管由于采用 CMOS 工藝而對(duì)應(yīng)的品質(zhì)因數(shù)很低，CMOS 振蕩器仍能提供與晶體振蕩器及 MEMS 振蕩器類(lèi)似的性能，并且，由于采用了全硅工藝， CMOS 振蕩器的成本是最低的。對(duì) CMOS 振蕩器而言，剩下的挑戰(zhàn)就是最大限度地降低頻率漂移，并實(shí)現(xiàn)高頻穩(wěn)定性，本文將探討這些問(wèn)題。　　

　　CMOS 振蕩器的頻率漂移

　　CMOS LC 振蕩器(LCO)的自然諧振頻率為：　　

　　其中 L 為凈振蕩回路電感，C 是凈振蕩回路電容。由于在電感器和電容器中有電阻性損耗，所以實(shí)際的諧振頻率由以下等式給出：　　

　　其中 R_L 和 R_C 分別是電感線(xiàn)圈和電容器中的損耗電阻。這兩個(gè)電阻都有自己的溫度系數(shù)。典型情況下，R_L 比R_C 大得多。因此，上面的等式可以簡(jiǎn)化為：　　

　　R_L(T) 導(dǎo)致溫度引起的頻率漂移，該頻率漂移是負(fù)的，而且曲線(xiàn)向下凹陷。

　　設(shè)計(jì)方法

　　如果損耗電阻 R_C是有意引入到振蕩回路電容 C 中的，那么電感線(xiàn)圈中的損耗電阻 R_L 引起的頻率漂移就可以消除。這一結(jié)論導(dǎo)致了無(wú)源補(bǔ)償方法的出現(xiàn)，即：使用有損耗的電容，以補(bǔ)償電感線(xiàn)圈因溫度變化引起的頻率漂移。這種方法已經(jīng)使 CMOS 振蕩器在 -20℃至 70℃的溫度范圍內(nèi)、所有工作條件下和整個(gè)生命周期內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了不到 ±100 ppm 的總體頻率穩(wěn)定度，同時(shí)消耗不到 4mW 功率。圖1 顯示了 40 個(gè)器件的頻率穩(wěn)定度，這些器件是從生產(chǎn)測(cè)試流程中隨機(jī)選出的。隨著溫度的變化，所有器件的頻率誤差都未超過(guò) ±75 ppm。