基于CMOS振荡器技术的硅频率控制

LC振荡器架构

　　LC振荡器的谐振频率为 3 GHz，以提高电感器的品质因数。在振荡回路中引入了一个有损耗的电容，与电感线圈的损耗匹配，因此该 LC振荡器的电感线圈引起的温度系数(TCf)可以消除。这种方法实现了温度系数的无源补偿，因此最大限度地降低了功耗，同时与采用有源补偿电路相比，还降低了噪声。可编程薄膜电容器阵列(Cf[X:0])用来通过相应的开关 TR[X:0]，微调工艺变化引起的偏移，如图 2 所示。其余的频率可编程薄膜电容器阵列(Cf[Y:0])包括与每个电容器串联的电阻器(RC[Y:0])，以便能通过开关 TC[Y:0]，有意将损耗引入电容网络。可编程分频器阵列对 LC 振荡器的谐振频率分频，以使该器件能支持从 1 MHz 到 200 MHz的频率。系统架构中包括一个可编程整数分频器阵列和非易失性存储器(NVM)，以存储微调、补偿和配置系数。

封装引起的频率漂移

　　图 3 中所示的未封装 LC 振荡器硅芯片容易受到几种影响，从而引起频率漂移，导致较低频率时的稳定性问题。

　　例如，意外的电磁辐射可能导致自谐振频率变化。光照可能产生光子电流，从而在偏置电路中引入不希望的偏移。此外，还存在来自电感线圈的边缘磁场(B)和来自净振荡回路电容的电场(E)，如图 4 所示。

　　芯片辐射的边缘电磁场可能被封装或芯片周围环境所扰乱，从而引起频率漂移。参见图 4，从电感线圈辐射出的 B 磁场可能延伸到封装之外。因此，如果该磁场被一种可渗透的材料改变，或者终止于一种金属处，那么频率就会漂移。类似地，器件的杂散 E 电场会产生寄生电容。封装模制复合体的介电常数有任何改变，都会引起频率漂移。如果听之任之而不加以控制，那么每种机制都能引起超过数百 ppm 的频率漂移。

　　法拉第屏蔽和频率稳定性

　　为了克服封装及周围环境引起的频率漂移，人们开发出了一种低成本、晶圆级后处理方法(法拉第屏蔽)，该屏蔽在芯片顶部和封装之间充当压力缓冲器。法拉第屏蔽控制并终止边缘电磁场，从而使硅芯片能在晶圆上接受测试，并能用几乎任何组装方法封装，例如采用塑料封装、多芯片封装(MCP)或基板上芯片(CoB)的形式。法拉第屏蔽包括一个厚厚的电介质台面，如图 5 所示。电介质台面的顶端用几微米厚的铜进行电镀，对于在 3GHz 时控制边缘 B 磁场来说，这就足够厚了。类似地，芯片底端用几微米厚的铝实现金属化，以控制边缘电磁场。法拉第屏蔽在芯片的顶端和底端终止边缘 B 磁场，如图所示。此外，密封的电介质材料对边缘电场呈现恒定介电常数，从而控制了寄生电容。

　　如图 6 所示，最新一代法拉第屏蔽能在 -20℃至 70℃的温度范围内，使 LC振荡器实现 ± 100 ppm 的频率稳定度。

大批量生产测试

　　每一个CMOS振荡器都必须对频率偏移和温度补偿进行微调。为了降低成本，人们开发出了 126 点大规模并行探头，(见图7)该探头进行双温插入，以确保在每一个器件上都能设定最佳的温度补偿，并在 -20℃至 70℃的温度范围内、所有工作条件下以及整个寿命期内，实现 ± 100 ppm 的频率稳定度。包括双温插入的生产测试能力为 30 kU/小时。　　

性能结果

　　对一个频率设定为 125 MHz 的器件进行单边带(SSB)相位噪声功率谱密度(PSD)测试，所得结果如图 8 所示。噪声层低于 -145 dBc/Hz。采用砖墙式滤波器，从 12 kHz 至 20 MHz，集成 RMS 的相位抖动为 2 ps。频谱中未看到较大的杂散噪声。总之，相位噪声性能非常好，而且功耗极低，仅消耗 2 mA 电流，这主要是因为采用了之前“设计方法”一节所述的无源温度补偿方法。

结论

　　在 -20℃至 70℃的温度范围内、所有工作条件下和整个生命同期内，CMOS振荡器技术能实现 ± 100 ppm 的总体频率稳定度，并具有卓越的相位噪声性能，仅消耗 2 mA 电流。在采用无源温度补偿方法——利用有损耗的电容消除电感线圈引起的频率漂移时，CMOS振荡器能成为一个稳定的频率源。法拉第屏蔽控制并终止边缘电磁场，以防止周围环境引起频率漂移。CMOS 振荡器采用全硅技术，能以业界最低的成本实现具卓越性能的频率源。

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