私は CMOS 発振器のサプライヤーとして、これらのコンポーネントが現代の電子システムで重要な役割を果たしているのを直接目撃してきました。 CMOS 発振器は、低消費電力、高集積、CMOS テクノロジとの互換性により、電気通信から家庭用電化製品に至るまで、さまざまなアプリケーションで広く使用されています。ただし、CMOS 発振器を使用する際の永続的な課題の 1 つは、ノイズへの対処です。このブログ投稿では、CMOS 発振器のノイズの発生源と、これらの発生源を理解することが発振器の性能を最適化するために重要である理由について詳しく説明します。
1. 熱雑音
ジョンソン ナイキスト ノイズとしても知られる熱ノイズは、導体内の電荷キャリア (電子) のランダムな動きによってすべての電子コンポーネントで発生する基本的なノイズです。 CMOS 発振器では、MOSFET のオン抵抗や受動部品の等価抵抗など、回路の抵抗要素で熱ノイズが発生します。
熱雑音のパワースペクトル密度は式 (S_v = 4kTR) で与えられます。ここで、(k) はボルツマン定数 ((1.38\times10^{- 23}\space J/K))、(T) はケルビン単位の絶対温度、(R) は抵抗です。温度が上昇したり、抵抗値が大きくなると、熱雑音電力は増加します。
CMOS 発振器では、熱ノイズにより出力信号の振幅と周波数が変動する可能性があります。これらの変動、特に周波数の変動は、正確な信号同期が不可欠な電気通信システムなど、高精度のタイミングが必要なアプリケーションでは重大な問題となる可能性があります。
2. フリッカーノイズ
フリッカー ノイズは 1/f ノイズとも呼ばれ、CMOS 回路でよく見られるもう 1 つのノイズ源です。広い周波数範囲にわたって平坦なパワー スペクトル密度を持つ熱ノイズとは異なり、フリッカー ノイズのパワー スペクトル密度は周波数 ((S_v\propto\frac{1}{f})) に反比例します。
CMOS デバイスでは、フリッカー ノイズは主に半導体と酸化物の界面で発生します。 MOSFET の動作中、この界面で電荷がトラップおよびデトラップされる可能性があり、チャネル電流の変動を引き起こします。これにより、発振器の出力電圧と周波数が変動します。
フリッカーノイズは低周波数で特に問題になります。一部のタイプのセンサーやオーディオ関連回路など、発振器の低周波安定性が必要なアプリケーションでは、フリッカーノイズにより性能が大幅に低下する可能性があります。
3. ショットノイズ
ショット ノイズは、電荷キャリアの離散的な性質から発生するノイズの一種です。 CMOS 発振器では、電子が MOSFET のソース - ドレイン接合などのポテンシャル障壁を通過するときにショット ノイズが発生します。電子がドレイン端子にランダムに到達すると、ドレイン電流の変動が生じます。
ショット ノイズのパワー スペクトル密度は (S_i = 2qI) です。ここで、(q) は素電荷 ((1.6\times10^{-19}\space C))、(I) は平均電流です。ショット ノイズは、大電流動作を行う回路でより顕著になります。 CMOS 発振器では、MOSFET を流れる大きな信号電流がある場合、特に発振器出力の高周波成分において、ショット ノイズが信号劣化の原因となる可能性があります。
4. 電源ノイズ
電源ノイズは、CMOS 発振器の性能に影響を与える一般的な外部ノイズ源です。電源電圧の変動は発振回路の動作に直接影響を与える可能性があります。発振器の動作は電源の安定供給に大きく依存するため、電源電圧のわずかな変動でも出力周波数と振幅に大きな変化を引き起こす可能性があります。
電源ノイズは、電源ユニット内のスイッチング レギュレータ、同じ PCB 上の他のノイズの多い回路からの結合、外部ソースからの電磁干渉 (EMI) など、さまざまな発生源から発生する可能性があります。たとえば、CMOS 発振器と同じ基板上の高速デジタル回路は、発振器の電源ラインに結合する強力な電磁場を生成し、ノイズを引き起こす可能性があります。
5. 基板ノイズ
最新の CMOS 集積回路では、基板ノイズが新たな懸念事項となっています。基板ノイズは、同じチップ上のデジタル回路のスイッチング動作によって発生します。デジタル回路の状態が切り替わると、基板に大電流が流れ、基板内に電圧変動が生じます。
これらの基板電圧の変動は、基板の抵抗率と寄生容量を介して CMOS 発振回路に影響を与える可能性があります。この結合により、発振器の出力周波数と位相に予測できない変化が生じる可能性があります。 CMOS チップの集積密度が増加するにつれて、より多くのデジタル回路とアナログ回路が同じチップ上に配置されるため、基板ノイズは対処がより困難な問題となっています。
低騒音動作のための製品とソリューション
当社では、CMOS 発振器のノイズを最小限に抑えることの重要性を理解しています。当社は、これらのノイズ源の影響を軽減するように設計された一連の高性能発振器を提供しています。
たとえば、私たちの電圧制御VCO発振器 12.7 X 12.7 X 3.2は、熱ノイズとフリッカーノイズを最小限に抑えるために、高度な回路トポロジとレイアウト技術を使用して設計されています。 MOSFET のサイズとバイアス条件を慎重に選択することにより、オン抵抗と界面での電荷トラップの影響をそれぞれ低減できます。
私たちのクロック発振器 2520優れた電源除去能力を持つように設計されています。内蔵の電源フィルタリングおよび絶縁技術を使用して、電源ノイズが発振器の出力に影響を与えるのを防ぎます。そのため、安定した電源供給が難しい用途に適しています。
の低位相ノイズ VCO 発振器 9 X 7ショットノイズと基板ノイズを低減するために特に最適化されています。電流の流れる経路を慎重に設計し、基板分離構造を使用することで、発振器の位相ノイズ性能に対するこれらのノイズ源の影響を最小限に抑えることができます。
結論
ノイズは、CMOS 発振器の動作において避けられないものの、制御可能な要素です。熱ノイズ、フリッカーノイズ、ショットノイズ、電源ノイズ、基板ノイズなどのノイズ源を理解することで、より優れたノイズ性能を備えたCMOS発振器を設計・開発できます。
当社では、さまざまなアプリケーションの厳しい要件を満たす高品質のCMOS発振器を提供することに取り組んでいます。高精度通信システムや家庭用電化製品のいずれに取り組んでいる場合でも、当社はお客様に最適なソリューションを提供します。
当社の CMOS 発振器製品についてさらに詳しく知りたい場合、または特定のニーズについて話し合うことに興味がある場合は、さらなる交渉のためにお気軽にお問い合わせください。お客様の電子システムで最高のパフォーマンスを実現するために、お客様と提携できることを楽しみにしています。
参考文献
- Razavi、B.「アナログ CMOS 集積回路の設計」。マグロウ - ヒル、2001 年。
- Allen, PE、Holberg, DR「CMOS アナログ回路設計」。オックスフォード大学出版局、2002 年。
- Motchenbacher、CD、Connelly、JA「低ノイズ電子システム設計」。ワイリー - インターサイエンス、1993 年。