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基于4H-SiC衬底SH-SAW谐振器的超低功耗高优值数字控制可调谐振荡器
Ultralow-Power Consumption High FoM Digitally Controlled Tunable Oscillator Utilizing SH-SAW Resonator Based on 4H-SiC Substrate
| 作者 | Zonglin Wu · Yubo Zhang · Shuxian Wu · Hangyu Qian · Feihong Bao · Xiongchuan Huang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年7月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | SiC器件 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 数字控制振荡器 声表面波谐振器 低功耗 低相位噪声 频率调节 |
语言:
中文摘要
本文介绍了一种基于钽酸锂（LiTaO₃）/二氧化硅（SiO₂）/4H - 碳化硅（4H - SiC）多层衬底上的水平剪切表面声波（SH - SAW）谐振器的近吉赫兹、低功耗、低相位噪声数控振荡器。所制作的表面声波（SAW）谐振器实现了高达3916的最大品质因数（Bode - $Q_{\max}$）。SAW谐振器的高Q值使振荡器具备低相位噪声和低功耗的特性。采用皮尔斯振荡器以适配单端口SH - SAW谐振器的不对称结构。在标称配置下，所制作的振荡器在输出频率984 MHz、偏移10 kHz、100 kHz和1 MHz处的相位噪声分别为−97.83 dBc/Hz、−125.90 dBc/Hz和−151.98 dBc/Hz，功耗为126.3 μW。该振荡器在1 MHz偏移处的品质因数（FOM）达到221 dBc/Hz。设计了可编程负载电容（$C_{\text {L}}$）和偏置电阻（$R_{\text {B}}$）阵列，用于调节输出频率和功耗，从而实现灵活的功率 - 性能权衡以及对工艺、电压、温度（PVT）变化的频率补偿。所制作的振荡器输出频率范围为977.9至986.6 MHz。通过调节$R_{\text {B}}$，可实现低至66.4 μW的功耗。在40 °C至125 °C的环境温度下对该振荡器进行了测量，输出频率从983.1 MHz增加到985.9 MHz，频率温度系数为17.2 ppm/°C。振荡器的调谐范围可覆盖温度引起的频率漂移。这项工作为超低功耗、低成本的物联网（IoT）应用提供了巨大的潜力。
English Abstract
This article introduces a near-gigahertz, low-power-consumption, and low-phase-noise digitally controlled oscillator using a shear horizontal surface acoustic wave (SH-SAW) resonator on a LiTaO3/SiO2/ 4H-SiC multilayered substrate. The fabricated surface acoustic wave (SAW) resonator achieves a high Bode- Q_ of 3916. The high Q of the SAW resonator enables low phase noise and low power consumption for the oscillator. The Pierce oscillator is used to accommodate the asymmetric structures of the one-port SH-SAW resonator. In the nominal configuration, the fabricated oscillator achieves phase noise of −97.83, −125.90, and −151.98 dBc/Hz at 10 kHz, 100 kHz, and 1 MHz offsets from the output frequency of 984 MHz with a power consumption of 126.3~ W. The oscillator attains a figure of merit (FOM) of 221 dBc/Hz at 1 MHz offsets. The programmable load capacitance ( C_ L ) and bias resistor ( R_ B ) arrays are designed to adjust the output frequency and power consumption, enabling flexible power-performance trade-offs and frequency compensation for process voltage temperature (PVT) variations. The fabricated oscillator achieves an output frequency range from 977.9 to 986.6 MHz. The lowest power consumption of 66.4~ W can be realized by adjusting R_ B . The oscillator was measured at ambient temperatures from 40~^ C to 125~^ C. The output frequency increased from 983.1 to 985.9 MHz, with a frequency temperature coefficient of 17.2 ppm/°C. The oscillator tuning range covers frequency drifts over temperature. This work offers significant potential for ultralow-power consumption and low-cost Internet of Things (IoT) applications.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角分析，这项基于4H-SiC基底的超低功耗数字可控振荡器技术具有重要的战略参考价值。该技术的核心亮点在于利用碳化硅（SiC）基底实现了微瓦级功耗（最低66.4μW）和优异的相位噪声性能，这与我司在SiC功率器件领域的技术积累形成潜在协同。
在分布式光伏和储能系统中，大量分布式传感器、无线通信模块和边缘计算节点需要高精度、低功耗的时钟源。该振荡器技术的超低功耗特性可显著延长电池供电型监测设备的续航时间，降低光伏电站运维成本。特别是在偏远地区的离网储能系统中，这种微瓦级功耗的时序电路可大幅减少辅助电源消耗，提升系统整体效率。
技术层面值得关注的是其宽温度范围（-40°C至125°C）和可编程频率补偿能力，这对应对光伏逆变器和储能变流器的严苛工作环境至关重要。然而，17.2 ppm/°C的温度系数在高精度应用中仍有优化空间，可能需要额外的温度补偿算法。
从产业化角度看，该技术目前处于实验室验证阶段，距离规模化应用尚需解决成本控制和封装集成等工程问题。但其展示的SiC基底多层异质结构设计思路，对我司正在推进的SiC功率模块集成化方案具有启发意义。建议跟踪该技术在物联网领域的商业化进展，评估将类似低功耗精密时序电路集成到下一代智能逆变器和储能系统控制芯片的可行性，以增强产品在边缘智能和能源管理方面的竞争力。