- CMOS振蕩器與石英晶體的特性比較
- CMOS振蕩器的應用
- 對于消費類(lèi)、計算機和存儲應用，CMOS 振蕩器沒(méi)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最薄IC封裝中，滿(mǎn)足消費電子產(chǎn)品對外形尺寸的嚴格要求
- CMOS技術(shù)被廣泛應用在當今市場(chǎng)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，不依賴(lài)任何機械、壓電、非集成的共震元件，很容易集成到其他電路中
自從60年前的數字革命開(kāi)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(gè)電子系統中的同步數據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(gè)數十億美元的市場(chǎng)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準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定性、低相位噪聲和低抖動(dòng)、易于使用，以及有大量供貨廠(chǎng)商而占據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(gè)優(yōu)化的平臺，可以開(kāi)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(lèi)、計算機和存儲應用，CMOS 振蕩器沒(méi)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前能夠獲得的最薄IC封裝中，可以滿(mǎn)足消費電子產(chǎn)品對外形尺寸的嚴格要求。
● CMOS技術(shù)被廣泛應用在當今市場(chǎng)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(lài)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)器中用于節省PCB 占板面積，以及不需要石英參考源的多頻率時(shí)鐘集成電路中。
CMOS頻率參考源的最初市場(chǎng)主要是USB和SATA設備，在無(wú)線(xiàn)應用中也有比較大的增長(cháng)。從移動(dòng)電話(huà)到微波爐、無(wú)線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)滲透到了現代生活的各個(gè)方面。無(wú)線(xiàn)通信標準在許多方面不同于有線(xiàn)通信，包括調制方案，以及通過(guò)相對較低功耗來(lái)長(cháng)距離傳輸數據的更高載波頻率。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，從9kHz～300GHz不等。
無(wú)線(xiàn)系統的一個(gè)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，振蕩器可以產(chǎn)生或調制載波頻率，而在接收側，它可以幫助恢復接收數據。絕大多數的長(cháng)距離和（或）高帶寬、高數據速率無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議需要低噪聲振蕩器，并以10-6（百萬(wàn)分之一）為單位來(lái)衡量它們的頻率穩定性。振蕩器的性能影響系統的同步精度、分布在特定頻譜空間的通道數，以及接收器的動(dòng)態(tài)范圍。
現今的石英晶體振蕩器具有本征高品質(zhì)因數（Q），是高性能無(wú)線(xiàn)通信鏈路的理想參考源。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(shí)可以產(chǎn)生-100～-120dBc/Hz或更低的相位噪聲。而CMOS振蕩器有極好的遠端相位噪聲（Far-fr om-carr ier Phase Noise），1MHz 偏移時(shí)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(dòng)通信、GPS、Wi-Fi和其他高性能無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議。
但也有許多其他的無(wú)線(xiàn)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)和醫療頻段）頻段應用中，CMOS 振蕩器的頻率穩定性能是足夠的。同時(shí)，CMOS技術(shù)在某些方面比石英晶體具有更大的優(yōu)勢。
CMOS振蕩器的應用
我們每天所接觸到的許多應用，從微波爐到車(chē)庫門(mén)的自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉，都利用了無(wú)線(xiàn)頻譜中的多個(gè)ISM頻段。最典型的例子是汽車(chē)胎壓監測系統（TPMS），用于監視輪胎的氣壓并將測量值傳輸給車(chē)載計算機，CMOS振蕩器可以改善這種應用的總體性能?，F在已經(jīng)有了許多不同類(lèi)型的TPMS方案，比較典型的結構是由壓力和溫度傳感器、加速度傳感器、簡(jiǎn)化的低功耗微控制器、無(wú)線(xiàn)發(fā)送器和石英晶體組成的。無(wú)線(xiàn)傳輸方式可以是頻移鍵控（FSK）或者振幅鍵控（ASK）調制方式。
在FSK方案中，發(fā)送器將發(fā)送信號調制到調制頻率來(lái)發(fā)送數據。這可以通過(guò)改變石英晶體的負載電容來(lái)實(shí)現，從而使之工作在不同頻率。同樣，在A(yíng)SK方案中，數據以載波的有和無(wú)進(jìn)行調制，可以通過(guò)控制振蕩器的輸出來(lái)實(shí)現。由于CMOS振蕩器可以非常容易地被集成到微控制器或無(wú)線(xiàn)收發(fā)器中，在TPMS系統里使用CMOS振蕩器可以獲得高集成度和降低成本優(yōu)勢。
此外，由于CMOS振蕩器沒(méi)有機械震動(dòng)部件，它可以提供比石英晶體更好的耐機械震動(dòng)和沖擊性。在無(wú)線(xiàn)發(fā)送器中，經(jīng)過(guò)特殊設計的低功耗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(gè)系統的功耗。通過(guò)使用CMOS振蕩器的控制和補償電路，FSK和ASK調制電路可以非常容易地內置到振蕩器中。
近距離通信（NFC）是另一個(gè)應用廣泛的無(wú)線(xiàn)接口，它在主機和集線(xiàn)器設備之間實(shí)現近距離和高頻通信。這個(gè)接口是基于感應耦合的，并規定閱讀器通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式向NFC設備發(fā)送功率和時(shí)鐘信號，以及發(fā)送和接收控制與數據位。與射頻識別標簽（RFID）相似，NFC接口需要13.56MHz的頻率基準。在大多數應用中，NFC 產(chǎn)品尺寸非常小，而采用半導體技術(shù)就可以很容易地實(shí)現這個(gè)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今低成本消費電子產(chǎn)品器件應用的一大障礙，并使NFC設備尺寸減小。
通過(guò)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量，降低PCB設計的復雜度。遠程無(wú)鑰匙通行（RKE）設備也是另外一個(gè)利用CMOS振蕩器的典型無(wú)線(xiàn)應用。這些簡(jiǎn)單的單向通信產(chǎn)品在汽車(chē)市場(chǎng)中被廣泛應用。它們工作在無(wú)線(xiàn)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應用中一樣，這些頻率需要通過(guò)高頻SAW諧振器或通過(guò)低頻石英晶體振蕩器倍頻PLL產(chǎn)生。另一個(gè)選擇是使用特殊設計的、極低功耗CMOS振蕩器來(lái)直接產(chǎn)生這么高的頻率，并集成到RKE無(wú)線(xiàn)發(fā)送器中，從而降低成本和節省PCB面積。采用CMOS技術(shù)提供頻率參考源比采用傳統頻率發(fā)生方法有更多的優(yōu)點(diǎn)。
而最近發(fā)布的CMOS時(shí)鐘發(fā)生器主要是針對有線(xiàn)應用設計的，可以在高頻率下工作、尺寸小和易于集成的優(yōu)點(diǎn)使其能夠非常容易地擴展到更加廣泛的無(wú)線(xiàn)應用中。在有些應用中，CMOS振蕩器可以為那些要求嚴格的產(chǎn)品改善性能；而在另外一些應用中，通過(guò)它們就能夠設計出全新的無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品且避免使用非半導體器件。
