采用CMOS技術(shù)的頻率參考源的特點及應(yīng)用分析

自從60年前的數(shù)字革命開始，電子行業(yè)已經(jīng)發(fā)生了許多變化，但有一種情況卻一直未變：每個電子系統(tǒng)中的同步數(shù)據(jù)傳輸參考頻率由石英晶體和陶瓷振蕩器產(chǎn)生。然而，最近幾年，這個數(shù)十億美元的市場發(fā)生了技術(shù)變革，包括像微機電振蕩器、精密壓電諧振器和單片標(biāo)準(zhǔn)CMOS器件等。

CMOS振蕩器與石英晶體的特性比較

石英晶體振蕩器由于良好的穩(wěn)定性、低相位噪聲和低抖動、易于使用，以及有大量供貨廠商而占據(jù)最流行頻率源的位置。但是，在其他方案中，CMOS技術(shù)提供一個優(yōu)化的平臺，可以開發(fā)可行的、成本低廉和高性能的石英晶體替代產(chǎn)品。

● 對于消費類、計算機和存儲應(yīng)用，CMOS振蕩器沒有最高頻率的限制，它的頻率范圍從kHz到幾百MHz，因此在某些應(yīng)用中就可以避免使用帶有鎖相環(huán)（PLL）的頻率合成器。

● 單管芯的CMOS頻率源可以被封裝在當(dāng)前能夠獲得的最薄IC封裝中，可以滿足消費電子產(chǎn)品對外形尺寸的嚴(yán)格要求。

● CMOS技術(shù)被廣泛應(yīng)用在當(dāng)今市場上的各種產(chǎn)品中，它有很好的可靠性和批量成本優(yōu)勢。

● CMOS頻率源完全是單片集成電路，它們不依賴任何機械、壓電，或非集成的共震元件，因此很容易集成到其他電路中。例如，集成到USB物理層芯片中就不再需要石英晶體了，但仍然能夠保持良好的誤碼率，或者集成到高速SATA收發(fā)器中用于節(jié)省PCB占板面積，以及不需要石英參考源的多頻率時鐘集成電路中。

CMOS頻率參考源的最初市場主要是USB和SATA設(shè)備，在無線應(yīng)用中也有比較大的增長。

從移動電話到微波爐、無線技術(shù)已經(jīng)滲透到了現(xiàn)代生活的各個方面。無線通信標(biāo)準(zhǔn)在許多方面不同于有線通信，包括調(diào)制方案，以及通過相對較低功耗來長距離傳輸數(shù)據(jù)的更高載波頻率。在美國，載波頻率的頻譜范圍位于政府分配的頻率范圍之內(nèi)，從9kHz～300GHz不等。

無線系統(tǒng)的一個主要組成部件是頻率源，它通常是石英晶體、聲表面波濾波器（SAW），或者CMOS振蕩器。在發(fā)送側(cè)，振蕩器可以產(chǎn)生或調(diào)制載波頻率，而在接收側(cè)，它可以幫助恢復(fù)接收數(shù)據(jù)。絕大多數(shù)的長距離和（或）高帶寬、高數(shù)據(jù)速率無線通信協(xié)議需要低噪聲振蕩器，并以10-6（百萬分之一）為單位來衡量它們的頻率穩(wěn)定性。振蕩器的性能影響系統(tǒng)的同步精度、分布在特定頻譜空間的通道數(shù)，以及接收器的動態(tài)范圍。

現(xiàn)今的石英晶體振蕩器具有本征高品質(zhì)因數(shù)（Q），是高性能無線通信鏈路的理想?yún)⒖荚?。它們產(chǎn)生的頻率信號具有極好的近端相位噪聲。采用高質(zhì)量的石英晶體振蕩器在100Hz偏移時可以產(chǎn)生-100～-120dBc/Hz或更低的相位噪聲。

而CMOS振蕩器有極好的遠(yuǎn)端相位噪聲（Far-from-carrier Phase Noise），1MHz 偏移時相位噪聲小于-140dBc/Hz，它們的近端相位噪聲比石英晶體還差。因此，CMOS振蕩器不適合GSM/CDMA移動通信、GPS、Wi-Fi 和其他高性能無線通信協(xié)議。

但也有許多其他的無線通信協(xié)議，如在面向短距離和低帶寬通信的ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療頻段）頻段應(yīng)用中，CMOS振蕩器的頻率穩(wěn)定性能是足夠的。同時，CMOS技術(shù)在某些方面比石英晶體具有更大的優(yōu)勢。

CMOS振蕩器的應(yīng)用

我們每天所接觸到的許多應(yīng)用，從微波爐到車庫門的自動開啟和關(guān)閉，都利用了無線頻譜中的多個ISM頻段。最典型的例子是汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS），用于監(jiān)視輪胎的氣壓并將測量值傳輸給車載計算機，CMOS振蕩器可以改善這種應(yīng)用的總體性能。

圖1 汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)利用CMOS振蕩器提高了整體性能

現(xiàn)在已經(jīng)有了許多不同類型的TPMS方案，比較典型的結(jié)構(gòu)是由壓力和溫度傳感器、加速度傳感器、簡化的低功耗微控制器、無線發(fā)送器和石英晶體組成的。無線傳輸方式可以是頻移鍵控（FSK）或者振幅鍵控（ASK）調(diào)制方式。

在FSK方案中，發(fā)送器將發(fā)送信號調(diào)制到調(diào)制頻率來發(fā)送數(shù)據(jù)。這可以通過改變石英晶體的負(fù)載電容來實現(xiàn)，從而使之工作在不同頻率。同樣，在ASK方案中，數(shù)據(jù)以載波的有和無進(jìn)行調(diào)制，可以通過控制振蕩器的輸出來實現(xiàn)。

由于CMOS振蕩器可以非常容易地被集成到微控制器或無線收發(fā)器中，在TPMS系統(tǒng)里使用CMOS振蕩器可以獲得高集成度和降低成本的優(yōu)勢。

此外，由于CMOS振蕩器沒有機械震動部件，它可以提供比石英晶體更好的耐機械震動和沖擊性。在無線發(fā)送器中，經(jīng)過特殊設(shè)計的低功耗 CMOS振蕩器可以直接生成載頻（通常是325MHz或433MHz），而不需要PLL，并因此能夠降低整個系統(tǒng)的功耗。通過使用CMOS振蕩器的控制和補償電路，F(xiàn)SK和ASK調(diào)制電路可以非常容易地內(nèi)置到振蕩器中。

近距離通信（NFC）是另一個應(yīng)用廣泛的無線接口，它在主機和集線器設(shè)備之間實現(xiàn)近距離和高頻通信。這個接口是基于感應(yīng)耦合的，并規(guī)定閱讀器通過無線方式向NFC設(shè)備發(fā)送功率和時鐘信號，以及發(fā)送和接收控制與數(shù)據(jù)位。

與射頻識別標(biāo)簽（RFID）相似，NFC接口需要13.56MHz的頻率基準(zhǔn)。在大多數(shù)應(yīng)用中，NFC產(chǎn)品尺寸非常小，而采用半導(dǎo)體技術(shù)就可以很容易地實現(xiàn)這個要求。CMOS振蕩器能夠以晶圓的形式提供，并且非常容易地封裝在多芯片封裝中。封裝成本的降低排除了現(xiàn)今低成本消費電子產(chǎn)品器件應(yīng)用的一大障礙，并使NFC設(shè)備尺寸減小。通過使用CMOS振蕩器，采用多管芯封裝技術(shù)，收發(fā)器、控制器和存儲器可以和頻率源集成在單芯片、低成本的塑料封裝中，從而減少總體器件數(shù)量，降低PCB設(shè)計的復(fù)雜度。

遠(yuǎn)程無鑰匙通行（RKE）設(shè)備也是另外一個利用CMOS振蕩器的典型無線應(yīng)用。這些簡單的單向通信產(chǎn)品在汽車市場中被廣泛應(yīng)用。它們工作在無線頻譜的ISM頻段，美國和日本允許的頻段為315MHz，歐洲允許的頻段是433.92MHz。就像在TPMS應(yīng)用中一樣，這些頻率需要通過高頻 SAW諧振器或通過低頻石英晶體振蕩器倍頻PLL產(chǎn)生。另一個選擇是使用特殊設(shè)計的、極低功耗CMOS振蕩器來直接產(chǎn)生這么高的頻率，并集成到RKE無線發(fā)送器中，從而降低成本和節(jié)省PCB面積。

采用CMOS技術(shù)提供頻率參考源比采用傳統(tǒng)頻率發(fā)生方法有更多的優(yōu)點。而最近發(fā)布的CMOS時鐘發(fā)生器主要是針對有線應(yīng)用設(shè)計的，可以在高頻率下工作、尺寸小和易于集成的優(yōu)點使其能夠非常容易地擴展到更加廣泛的無線應(yīng)用中。在有些應(yīng)用中，CMOS振蕩器可以為那些要求嚴(yán)格的產(chǎn)品改善性能；而在另外一些應(yīng)用中，通過它們就能夠設(shè)計出全新的無線產(chǎn)品且避免使用非半導(dǎo)體器件。

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