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基于CMOS振荡器技术的硅频率控制

作者:BaljitChandhoke时间:2012-10-29来源:电子产品世界

  摘要:高精度、低噪声和低功耗的无晶体固态技术让频率控制器件可以通过常见的 技术被移植到最低成本的架构中。尽管其固有的 Q LC tank 较低,但创新的设计达到了与业界标准晶体或MEMS相媲美的性能。该白皮书详细地描述了创新的技术打破石英占领多年市场的局面。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/138221.htm

  由于有了高精度、低噪声和低功耗的 ,所以频率控制器件可以采用成本最低的架构,并用全硅解决方案构成频率源。不过, 技术不能实现高 Q(品质因数)组件。例如,一个集成的电感器的品质因数(Q-factor)在10 到 20 之间。但是,CMOS 技术支持高频振荡器设计。所以在 CMOS 振荡器中,品质因数-频率(Q-f)之积很高。因此,尽管与 MEMS 振荡器和晶体振荡器相比,CMOS 谐振器的品质因数很低,CMOS 振荡器仍能实现低噪声。由于不同技术的品质因数-频率之积相同,所以采用不同技术的产品的性能是类似的。尽管由于采用 CMOS 工艺而对应的品质因数很低,CMOS 振荡器仍能提供与晶体振荡器及 MEMS 振荡器类似的性能,并且,由于采用了全硅工艺, CMOS 振荡器的成本是最低的。对 CMOS 振荡器而言,剩下的挑战就是最大限度地降低频率漂移,并实现高频稳定性,本文将探讨这些问题。  

 

  CMOS 振荡器的频率漂移

  CMOS LC 振荡器(LCO)的自然谐振频率为:  

       

 

  其中 L 为净振荡回路电感,C 是净振荡回路电容。由于在电感器和电容器中有电阻性损耗,所以实际的谐振频率由以下等式给出:  

       

 

  其中 RL 和 RC 分别是电感线圈和电容器中的损耗电阻。这两个电阻都有自己的温度系数。典型情况下,RL 比RC 大得多。因此,上面的等式可以简化为:  

       

 

  RL(T) 导致温度引起的频率漂移,该频率漂移是负的,而且曲线向下凹陷。

  设计方法

  如果损耗电阻 RC是有意引入到振荡回路电容 C 中的,那么电感线圈中的损耗电阻 RL 引起的频率漂移就可以消除。这一结论导致了无源补偿方法的出现,即:使用有损耗的电容,以补偿电感线圈因温度变化引起的频率漂移。这种方法已经使 CMOS 振荡器在 -20℃至 70℃的温度范围内、所有工作条件下和整个生命周期内,实现了不到 ±100 ppm 的总体频率稳定度,同时消耗不到 4mW 功率。图1 显示了 40 个器件的频率稳定度,这些器件是从生产测试流程中随机选出的。随着温度的变化,所有器件的频率误差都未超过 ±75 ppm。  


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关键词: CMOS 振荡器 201210

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