無(wú)線(xiàn)設備中CMOS頻率源的應用趨勢

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-from-carrier 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。

圖1 汽車(chē)胎壓監測系統利用CMOS振蕩器提高了整體性能