Ako dodávateľ CMOS oscilátorov som bol svedkom kritickej úlohy, ktorú tieto komponenty hrajú v moderných elektronických systémoch. CMOS oscilátory sú široko používané v rôznych aplikáciách, od telekomunikácií až po spotrebnú elektroniku, kvôli ich nízkej spotrebe energie, vysokej integrácii a kompatibilite s technológiou CMOS. Avšak jednou z pretrvávajúcich výziev pri používaní CMOS oscilátorov je riešenie šumu. V tomto blogovom príspevku sa ponorím do zdrojov šumu v CMOS oscilátore a prečo je pochopenie týchto zdrojov kľúčové pre optimalizáciu výkonu oscilátora.
1. Tepelný šum
Tepelný šum, tiež známy ako Johnsonov - Nyquistov šum, je základným typom hluku, ktorý sa vyskytuje vo všetkých elektronických súčiastkach v dôsledku náhodného pohybu nosičov náboja (elektrónov) vo vodiči. V CMOS oscilátore sa generuje tepelný šum v odporových prvkoch obvodu, ako je zapnutý odpor MOSFETov a ekvivalentný odpor pasívnych komponentov.
Výkonová spektrálna hustota tepelného šumu je daná vzorcom (S_v = 4kTR), kde (k) je Boltzmannova konštanta ((1,38\times10^{- 23}\space J/K)), (T) je absolútna teplota v Kelvinoch a (R) je odpor. Keď sa teplota zvýši alebo sa zvýši hodnota odporu, výkon tepelného šumu sa zvýši.
V CMOS oscilátore môže tepelný šum spôsobiť kolísanie amplitúdy a frekvencie výstupného signálu. Tieto výkyvy, najmä vo frekvencii, môžu byť významným problémom v aplikáciách, ktoré vyžadujú veľmi presné časovanie, ako sú telekomunikačné systémy, kde je presná synchronizácia signálu nevyhnutná.
2. Hluk blikania
Šum blikania, často označovaný ako šum 1/f, je ďalším prevládajúcim zdrojom hluku v obvodoch CMOS. Na rozdiel od tepelného šumu, ktorý má plochú výkonovú spektrálnu hustotu v širokom frekvenčnom rozsahu, má blikajúci šum výkonovú spektrálnu hustotu, ktorá je nepriamo úmerná frekvencii ((S_v\propto\frac{1}{f})).
V zariadeniach CMOS sa blikajúci šum vytvára hlavne na rozhraní polovodič - oxid. Keď je MOSFET v prevádzke, náboje sa môžu zachytiť a zachytiť na tomto rozhraní, čo spôsobí kolísanie prúdu kanála. To vedie k zmenám výstupného napätia a frekvencie oscilátora.
Blikajúci šum sa stáva obzvlášť problematickým pri nízkych frekvenciách. V aplikáciách, kde sa vyžaduje stabilita oscilátora pri nízkych frekvenciách, ako napríklad v niektorých typoch snímačov alebo obvodov súvisiacich so zvukom, môže blikanie výrazne zhoršiť výkon.
3. Hluk výstrelu
Výstrelný hluk je typ hluku, ktorý vzniká z diskrétnej povahy nosičov náboja. V CMOS oscilátore dochádza k šumu výstrelu, keď elektróny prekročia potenciálnu bariéru, ako je napríklad spojenie zdroj - odvod MOSFETu. Náhodný príchod elektrónov na svorku odtoku spôsobuje kolísanie odtokového prúdu.
Výkonová spektrálna hustota hluku výstrelu je (S_i = 2qI), kde (q) je elementárny náboj ((1,6\times10^{-19}\medzera C)) a (I) je priemerný prúd. Hluk výstrelu je výraznejší v obvodoch s vysokoprúdovými prevádzkami. V CMOS oscilátore, ak cez MOSFET pretečú veľké signálové prúdy, môže výstrel prispievať k degradácii signálu, najmä vo vysokofrekvenčných komponentoch výstupu oscilátora.
4. Hluk napájacieho zdroja
Šum napájacieho zdroja je bežným externým zdrojom hluku, ktorý môže ovplyvniť výkon CMOS oscilátora. Akékoľvek kolísanie napájacieho napätia môže priamo ovplyvniť činnosť obvodu oscilátora. Pretože činnosť oscilátora je vysoko závislá od stabilného napájania, aj malé zmeny v napájacom napätí môžu spôsobiť významné zmeny vo výstupnej frekvencii a amplitúde.
Šum napájacieho zdroja môže pochádzať z rôznych zdrojov, ako sú spínacie regulátory v napájacej jednotke, väzba z iných hlučných obvodov na rovnakej doske plošných spojov alebo elektromagnetické rušenie (EMI) z externých zdrojov. Napríklad vysokorýchlostný digitálny obvod na tej istej doske ako CMOS oscilátor môže generovať intenzívne elektromagnetické polia, ktoré sa spájajú s napájacími vedeniami oscilátora a spôsobujú šum.
5. Hluk substrátu
V moderných integrovaných obvodoch CMOS sa objavuje šum substrátu. Hluk substrátu je generovaný spínacími aktivitami digitálnych obvodov na tom istom čipe. Keď digitálne obvody prepnú stavy, cez substrát pretekajú veľké prúdy, ktoré vytvárajú kolísanie napätia v substráte.
Tieto výkyvy napätia substrátu sa môžu spojiť s obvodom oscilátora CMOS prostredníctvom odporu substrátu a parazitných kapacít. Táto väzba môže spôsobiť nepredvídateľné zmeny vo výstupnej frekvencii a fáze oscilátora. So zvyšujúcou sa hustotou integrácie čipov CMOS sa na rovnaký čip umiestňuje viac digitálnych a analógových obvodov, čím sa stáva problém so šumom substrátu náročnejším problémom.
Produkty a riešenia pre prevádzku s nízkou hlučnosťou
V našej spoločnosti chápeme dôležitosť minimalizácie šumu v CMOS oscilátoroch. Ponúkame rad vysokovýkonných oscilátorov, ktoré sú navrhnuté tak, aby znížili vplyv týchto zdrojov hluku.
Napríklad nášNapätím riadený oscilátor VCO 12,7 X 12,7 X 3,2je navrhnutý s použitím pokročilých topológií obvodov a techník rozloženia, aby sa minimalizoval tepelný a blikajúci šum. Starostlivým výberom veľkosti a podmienok predpätia MOSFETov môžeme znížiť odpor zapnutia a účinok zachytávania náboja na rozhraní.
nášHodinový oscilátor 2520je navrhnutý tak, aby mal vynikajúce schopnosti odmietnutia napájania. Používa vstavané techniky filtrovania a izolácie napájania, aby sa zabránilo tomu, že šum napájacieho zdroja ovplyvní výstup oscilátora. Vďaka tomu je vhodný pre aplikácie, kde je ťažké dosiahnuť stabilné napájanie.
TheNízkofázový šumový VCO oscilátor 9 X 7je špeciálne optimalizovaný na zníženie hluku výstrelu a šumu substrátu. Starostlivým návrhom prúdových prenosových ciest a použitím izolačných štruktúr substrátu môžeme minimalizovať vplyv týchto zdrojov hluku na fázový šum oscilátora.
Záver
Hluk je nevyhnutný, ale kontrolovateľný faktor pri prevádzke CMOS oscilátorov. Pochopením zdrojov šumu, vrátane tepelného šumu, blikajúceho šumu, výstrelu, šumu napájacieho zdroja a šumu substrátu, môžeme navrhnúť a vyvinúť CMOS oscilátory s lepším šumovým výkonom.
V našej spoločnosti sa zaväzujeme poskytovať vysoko kvalitné CMOS oscilátory, ktoré spĺňajú náročné požiadavky rôznych aplikácií. Či už pracujete na vysoko presnom telekomunikačnom systéme alebo zariadení spotrebnej elektroniky, máme pre vás tie správne riešenia.
Ak máte záujem dozvedieť sa viac o našich CMOS oscilátorových produktoch alebo prediskutovať vaše špecifické potreby, neváhajte nás kontaktovať pre ďalšie rokovania. Tešíme sa na spoluprácu s vami, aby sme dosiahli najlepší výkon vo vašich elektronických systémoch.
Referencie
- Razavi, B. "Design of Analog CMOS Integrated Circuits". McGraw - Hill, 2001.
- Allen, PE a Holberg, DR "Návrh analógových obvodov CMOS". Oxford University Press, 2002.
- Motchenbacher, CD, & Connelly, JA "Nízkošumový elektronický systémový dizajn". Wiley - Interscience, 1993.