基于高Q值铌酸锂MEMS谐振器与65纳米CMOS的可调低功耗振荡器

摘要： 本文提出了一种压电射频微机电系统(MEMS)谐振器与CMOS协同设计的全面指南，旨在实现能充分发挥两种平台优势的电压控制MEMS振荡器(VCMO)。该分析聚焦于调谐范围、功耗、增益和相位噪声之间的权衡关系，其结论具有普适性(适用于各类压电谐振器)，同时针对Colpitts结构VCMO进行了专项研究。基于此项研究，首次展示了基于高Q值铌酸锂(LiNbO3)微机械谐振器与CMOS异质集成的VCMO。采用系列谐振频率为171.1 MHz、Q值为410、机电耦合系数为12.7%的LiNbO3谐振器阵列，并运用台积电65纳米射频低压CMOS工艺实现占位面积220×70微米的反馈与调谐电路。通过编程连接至谐振器的二进制加权数字电容阵列和变容二极管实现VCMO的频率调谐。实测最佳相位噪声性能为：在178.23 MHz和175.83 MHz载波下，分别对应1 kHz和10 MHz频偏时达到-72 dBc/Hz和-153 dBc/Hz。该VCMO在1.2V供电下仅消耗60 μA直流电流，实现2.4 MHz调谐范围(约1.4%小数调谐范围)。此类VCMO可应用于物联网新兴场景，实现超低功耗、低相位噪声的宽带射频信号合成。