基于CMOS振蕩器技術的硅頻率控制

　　LC 振蕩器架構

　　LC 振蕩器的諧振頻率為 3 GHz，以提高電感器的品質因數。在振蕩回路中引入了一個有損耗的電容，與電感線圈的損耗匹配，因此該 LC 振蕩器的電感線圈引起的溫度系數(TCf)可以消除。這種方法實現了溫度系數的無源補償，因此最大限度地降低了功耗，同時與采用有源補償電路相比，還降低了噪聲。可編程薄膜電容器陣列(Cf[X:0])用來通過相應的開關 TR[X:0]，微調工藝變化引起的偏移，如圖 2 所示。其余的頻率可編程薄膜電容器陣列(Cf[Y:0])包括與每個電容器串聯的電阻器(RC[Y:0])，以便能通過開關 TC[Y:0]，有意將損耗引入電容網絡。可編程分頻器陣列對 LC 振蕩器的諧振頻率分頻，以使該器件能支持從 1 MHz 到 200 MHz的頻率。系統架構中包括一個可編程整數分頻器陣列和非易失性存儲器(NVM)，以存儲微調、補償和配置系數。

　　封裝引起的頻率漂移

　　圖 3 中所示的未封裝 LC 振蕩器硅芯片容易受到幾種影響，從而引起頻率漂移，導致較低頻率時的穩定性問題。

　　例如，意外的電磁輻射可能導致自諧振頻率變化。光照可能產生光子電流，從而在偏置電路中引入不希望的偏移。此外，還存在來自電感線圈的邊緣磁場(B)和來自凈振蕩回路電容的電場(E)，如圖 4 所示。

　　芯片輻射的邊緣電磁場可能被封裝或芯片周圍環境所擾亂，從而引起頻率漂移。參見圖 4，從電感線圈輻射出的 B 磁場可能延伸到封裝之外。因此，如果該磁場被一種可滲透的材料改變，或者終止于一種金屬處，那么頻率就會漂移。類似地，器件的雜散 E 電場會產生寄生電容。封裝模制復合體的介電常數有任何改變，都會引起頻率漂移。如果聽之任之而不加以控制，那么每種機制都能引起超過數百 ppm 的頻率漂移。

　　法拉第屏蔽和頻率穩定性

　　為了克服封裝及周圍環境引起的頻率漂移，人們開發出了一種低成本、晶圓級后處理方法(法拉第屏蔽)，該屏蔽在芯片頂部和封裝之間充當壓力緩沖器。法拉第屏蔽控制并終止邊緣電磁場，從而使硅芯片能在晶圓上接受測試，并能用幾乎任何組裝方法封裝，例如采用塑料封裝、多芯片封裝(MCP)或基板上芯片(CoB)的形式。法拉第屏蔽包括一個厚厚的電介質臺面，如圖 5 所示。電介質臺面的頂端用幾微米厚的銅進行電鍍，對于在 3GHz 時控制邊緣 B 磁場來說，這就足夠厚了。類似地，芯片底端用幾微米厚的鋁實現金屬化，以控制邊緣電磁場。法拉第屏蔽在芯片的頂端和底端終止邊緣 B 磁場，如圖所示。此外，密封的電介質材料對邊緣電場呈現恒定介電常數，從而控制了寄生電容。

　　如圖 6 所示，最新一代法拉第屏蔽能在 -20℃至 70℃的溫度范圍內，使 LC振蕩器實現 ± 100 ppm 的頻率穩定度。

　　大批量生產測試

　　每一個 CMOS 振蕩器都必須對頻率偏移和溫度補償進行微調。為了降低成本，人們開發出了 126 點大規模并行探頭，(見圖7)該探頭進行雙溫插入，以確保在每一個器件上都能設定最佳的溫度補償，并在 -20℃至 70℃的溫度范圍內、所有工作條件下以及整個壽命期內，實現 ± 100 ppm 的頻率穩定度。包括雙溫插入的生產測試能力為 30 kU/小時。　　

　　性能結果

　　對一個頻率設定為 125 MHz 的器件進行單邊帶(SSB)相位噪聲功率譜密度(PSD)測試，所得結果如圖 8 所示。噪聲層低于 -145 dBc/Hz。采用磚墻式濾波器，從 12 kHz 至 20 MHz，集成 RMS 的相位抖動為 2 ps。頻譜中未看到較大的雜散噪聲。總之，相位噪聲性能非常好，而且功耗極低，僅消耗 2 mA 電流，這主要是因為采用了之前“設計方法”一節所述的無源溫度補償方法。

　　結論

　　在 -20℃至 70℃的溫度范圍內、所有工作條件下和整個生命同期內，CMOS振蕩器技術能實現 ± 100 ppm 的總體頻率穩定度，并具有卓越的相位噪聲性能，僅消耗 2 mA 電流。在采用無源溫度補償方法——利用有損耗的電容消除電感線圈引起的頻率漂移時，CMOS 振蕩器能成為一個穩定的頻率源。法拉第屏蔽控制并終止邊緣電磁場，以防止周圍環境引起頻率漂移。CMOS 振蕩器采用全硅技術，能以業界最低的成本實現具卓越性能的頻率源。

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