基于CMOS振蕩器技術的硅頻率控制

　　摘要：高精度、低噪聲和低功耗的無晶體固態(tài)振蕩器技術讓頻率控制器件可以通過常見的 CMOS 技術被移植到最低成本的架構中。盡管其固有的 Q LC tank 較低，但創(chuàng)新的設計達到了與業(yè)界標準晶體或MEMS振蕩器相媲美的性能。該白皮書詳細地描述了創(chuàng)新的技術打破石英占領多年市場的局面。

　　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，并用全硅解決方案構成頻率源。不過，CMOS 技術不能實現(xiàn)高 Q(品質因數)組件。例如，一個集成的電感器的品質因數(Q-factor)在10 到 20 之間。但是，CMOS 技術支持高頻振蕩器設計。所以在 CMOS 振蕩器中，品質因數-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 諧振器的品質因數很低，CMOS 振蕩器仍能實現(xiàn)低噪聲。由于不同技術的品質因數-頻率之積相同，所以采用不同技術的產品的性能是類似的。盡管由于采用 CMOS 工藝而對應的品質因數很低，CMOS 振蕩器仍能提供與晶體振蕩器及 MEMS 振蕩器類似的性能，并且，由于采用了全硅工藝， CMOS 振蕩器的成本是最低的。對 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，并實現(xiàn)高頻穩(wěn)定性，本文將探討這些問題。　　

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

　　R_L(T) 導致溫度引起的頻率漂移，該頻率漂移是負的，而且曲線向下凹陷。

　　設計方法

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