无线设备中CMOS频率源的应用趋势

自从60年前的数字革命开始，电子行业已经发生了许多变化，但有一种情况却一直未变：每个电子系统中的同步数据传输参考频率由石英晶体和陶瓷振荡器产生。然而，最近几年，这个数十亿美元的市场发生了技术变革，包括像微机电振荡器、精密压电谐振器和单片标准CMOS器件等。

CMOS振荡器与石英晶体的特性比较

石英晶体振荡器由于良好的稳定性、低相位噪声和低抖动、易于使用，以及有大量供货厂商而占据最流行频率源的位置。但是，在其他方案中，CMOS技术提供一个优化的平台，可以开发可行的、成本低廉和高性能的石英晶体替代产品。

● 对于消费类、计算机和存储应用，CMOS振荡器没有最高频率的限制，它的频率范围从kHz到几百MHz，因此在某些应用中就可以避免使用带有锁相环（PLL）的频率合成器。

● 单管芯的CMOS频率源可以被封装在当前能够获得的最薄IC封装中，可以满足消费电子产品对外形尺寸的严格要求。

● CMOS技术被广泛应用在当今市场上的各种产品中，它有很好的可靠性和批量成本优势。

● CMOS频率源完全是单片集成电路，它们不依赖任何机械、压电，或非集成的共震元件，因此很容易集成到其他电路中。例如，集成到USB物理层芯片中就不再需要石英晶体了，但仍然能够保持良好的误码率，或者集成到高速SATA收发器中用于节省PCB占板面积，以及不需要石英参考源的多频率时钟集成电路中。
CMOS频率参考源的最初市场主要是USB和SATA设备，在无线应用中也有比较大的增长。

从移动电话到微波炉、无线技术已经渗透到了现代生活的各个方面。无线通信标准在许多方面不同于有线通信，包括调制方案，以及通过相对较低功耗来长距离传输数据的更高载波频率。在美国，载波频率的频谱范围位于政府分配的频率范围之内，从9kHz～300GHz不等。

无线系统的一个主要组成部件是频率源，它通常是石英晶体、声表面波滤波器（SAW），或者CMOS振荡器。在发送侧，振荡器可以产生或调制载波频率，而在接收侧，它可以帮助恢复接收数据。绝大多数的长距离和（或）高带宽、高数据速率无线通信协议需要低噪声振荡器，并以10-6（百万分之一）为单位来衡量它们的频率稳定性。振荡器的性能影响系统的同步精度、分布在特定频谱空间的通道数，以及接收器的动态范围。

现今的石英晶体振荡器具有本征高品质因数（Q），是高性能无线通信链路的理想参考源。它们产生的频率信号具有极好的近端相位噪声。采用高质量的石英晶体振荡器在100Hz偏移时可以产生-100～-120dBc/Hz或更低的相位噪声。

而CMOS振荡器有极好的远端相位噪声（Far-from-carrier Phase Noise），1MHz 偏移时相位噪声小于-140dBc/Hz，它们的近端相位噪声比石英晶体还差。因此，CMOS振荡器不适合GSM/CDMA移动通信、GPS、Wi-Fi 和其他高性能无线通信协议。

但也有许多其他的无线通信协议，如在面向短距离和低带宽通信的ISM（工业、科学和医疗频段）频段应用中，CMOS振荡器的频率稳定性能是足够的。同时，CMOS技术在某些方面比石英晶体具有更大的优势。

CMOS振荡器的应用

我们每天所接触到的许多应用，从微波炉到车库门的自动开启和关闭，都利用了无线频谱中的多个ISM频段。最典型的例子是汽车胎压监测系统（TPMS），用于监视轮胎的气压并将测量值传输给车载计算机，CMOS振荡器可以改善这种应用的总体性能。




图1 汽车胎压监测系统利用CMOS振荡器提高了整体性能



现在已经有了许多不同类型的TPMS方案，比较典型的结构是由压力和温度传感器、加速度传感器、简化的低功耗微控制器、无线发送器和石英晶体组成的。无线传输方式可以是频移键控（FSK）或者振幅键控（ASK）调制方式。

在FSK方案中，发送器将发送信号调制到调制频率来发送数据。这可以通过改变石英晶体的负载电容来实现，从而使之工作在不同频率。同样，在ASK方案中，数据以载波的有和无进行调制，可以通过控制振荡器的输出来实现。

由于CMOS振荡器可以非常容易地被集成到微控制器或无线收发器中，在TPMS系统里使用CMOS振荡器可以获得高集成度和降低成本的优势。

此外，由于CMOS振荡器没有机械震动部件，它可以提供比石英晶体更好的耐机械震动和冲击性。在无线发送器中，经过特殊设计的低功耗 CMOS振荡器可以直接生成载频（通常是325MHz或433MHz），而不需要PLL，并因此能够降低整个系统的功耗。通过使用CMOS振荡器的控制和补偿电路，FSK和ASK调制电路可以非常容易地内置到振荡器中。

近距离通信（NFC）是另一个应用广泛的无线接口，它在主机和集线器设备之间实现近距离和高频通信。这个接口是基于感应耦合的，并规定阅读器通过无线方式向NFC设备发送功率和时钟信号，以及发送和接收控制与数据位。

与射频识别标签（RFID）相似，NFC接口需要13.56MHz的频率基准。在大多数应用中，NFC产品尺寸非常小，而采用半导体技术就可以很容易地实现这个要求。CMOS振荡器能够以晶圆的形式提供，并且非常容易地封装在多芯片封装中。封装成本的降低排除了现今低成本消费电子产品器件应用的一大障碍，并使NFC设备尺寸减小。通过使用CMOS振荡器，采用多管芯封装技术，收发器、控制器和存储器可以和频率源集成在单芯片、低成本的塑料封装中，从而减少总体器件数量，降低PCB设计的复杂度。

远程无钥匙通行（RKE）设备也是另外一个利用CMOS振荡器的典型无线应用。这些简单的单向通信产品在汽车市场中被广泛应用。它们工作在无线频谱的ISM频段，美国和日本允许的频段为315MHz，欧洲允许的频段是433.92MHz。就像在TPMS应用中一样，这些频率需要通过高频 SAW谐振器或通过低频石英晶体振荡器倍频PLL产生。另一个选择是使用特殊设计的、极低功耗CMOS振荡器来直接产生这么高的频率，并集成到RKE无线发送器中，从而降低成本和节省PCB面积。

采用CMOS技术提供频率参考源比采用传统频率发生方法有更多的优点。而最近发布的CMOS时钟发生器主要是针对有线应用设计的，可以在高频率下工作、尺寸小和易于集成的优点使其能够非常容易地扩展到更加广泛的无线应用中。在有些应用中，CMOS振荡器可以为那些要求严格的产品改善性能；而在另外一些应用中，通过它们就能够设计出全新的无线产品且避免使用非半导体器件。