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自從60年前的數字革命開始，電子行業已經發生了許多變化，但有一種情況卻一直未變：每個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生。然而，最近幾年，這個數十億美元的市場發生了技術變革，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、易于使用，以及有大量供貨廠商而占據最流行頻率源的位置。但是，在其他方案中，CMOS技術提供一個優化的平臺，可以開發可行的、成本低廉和高性能的石英晶體替代產品。 ● 對于消費類、計算機和存儲應用，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，因此在某些應用中就可以避免使用帶有鎖相環（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，可以滿足消費電子產品對外形尺寸的嚴格要求。 ● CMOS技術被廣泛應用在當今市場上的各種產品中，它有很好的可靠性和批量成本優勢。 ● 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鐘集成電路中。 CMOS頻率參考源的最初市場主要是USB和SATA設備，在無線應用中也有比較大的增長。 從移動電話到微波爐、無線技術已經滲透到了現代生活的各個方面。無線通信標準在許多方面不同于有線通信，包括調制方案，以及通過相對較低功耗來長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。 無線系統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。在發送側，振蕩器可以產生或調制載波頻率，而在接收側，它可以幫助恢復接收數據。絕大多數的長距離和（或）高帶寬、高數據速率無線通信協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，以及接收器的動態范圍。 現今的石英晶體振蕩器具有本征高品質因數（Q），是高性能無線通信鏈路的理想參考源。它們產生的頻率信號具有極好的近端相位噪聲。采用高質量的石英晶體振蕩器在100Hz偏移時可以產生-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-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議。 但也有許多其他的無線通信協議，如在面向短距離和低帶寬通信的ISM（工業、科學和醫療頻段）頻段應用中，CMOS振蕩器的頻率穩定性能是足夠的。同時，CMOS技術在某些方面比石英晶體具有更大的優勢。 CMOS振蕩器的應用 我們每天所接觸到的許多應用，從微波爐到車庫門的自動開啟和關閉，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測系統（TPMS），用于監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用的總體性能。 圖1 汽車胎壓監測系統利用CMOS振蕩器提高了整體性能 現在已經有了許多不同類型的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、簡化的低功耗微控制器、無線發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）調制方式。 在FSK方案中，發送器將發送信號調制到調制頻率來發送數據。這可以通過改變石英晶體的負載電容來實現，從而使之工作在不同頻率。同樣，在ASK方案中，數據以載波的有和無進行調制，可以通過控制振蕩器的輸出來實現。 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的優勢。 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。在無線發送器中，經過特殊設計的低功耗 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系統的功耗。通過使用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）是另一個應用廣泛的無線接口，它在主機和集線器設備之間實現近距離和高頻通信。這個接口是基于感應耦合的，并規定閱讀器通過無線方式向NFC設備發送功率和時鐘信號，以及發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產品尺寸非常小，而采用半導體技術就可以很容易地實現這個要求。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今低成本消費電子產品器件應用的一大障礙，并使NFC設備尺寸減小。通過使用CMOS振蕩器，采用多管芯封裝技術，收發器、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。 遠程無鑰匙通行（RKE）設備也是另外一個利用CMOS振蕩器的典型無線應用。這些簡單的單向通信產品在汽車市場中被廣泛應用。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產生。另一個選擇是使用特殊設計的、極低功耗CMOS振蕩器來直接產生這么高的頻率，并集成到RKE無線發送器中，從而降低成本和節省PCB面積。 采用CMOS技術提供頻率參考源比采用傳統頻率發生方法有更多的優點。而最近發布的CMOS時鐘發生器主要是針對有線應用設計的，可以在高頻率下工作、尺寸小和易于集成的優點使其能夠非常容易地擴展到更加廣泛的無線應用中。在有些應用中，CMOS振蕩器可以為那些要求嚴格的產品改善性能；而在另外一些應用中，通過它們就能夠設計出全新的無線產品且避免使用非半導體器件。 |
