參考時(shí)鐘概述

在通訊手持設(shè)備當(dāng)中，參考時(shí)鐘的貢獻(xiàn)就像心臟對(duì)人體的作用一樣，絲毫的差異都將導(dǎo)致系統(tǒng)功能的紊亂。之所以定義它為參考，是因?yàn)檫@類(lèi)產(chǎn)品能否正常工作完全依賴(lài)于該時(shí)鐘的精確度；而且一旦有誤差存在，該誤差就會(huì)隨著倍頻的增加而介入應(yīng)用端的工作頻段，無(wú)論是基帶的數(shù)字和模擬部分還是射頻的上變頻和下變頻都會(huì)受到影響。通常參考時(shí)鐘所采用的中心頻點(diǎn)都在10MHz~30MHz，而且目前大多數(shù)都采用13MHz，20MHz，或26MHz，尤其是當(dāng)射頻和基帶共用參考時(shí)鐘時(shí)以13MHz和26MHz最多。

為什么要采用13MHz和26MHz作為參考時(shí)鐘呢？客觀(guān)上對(duì)射頻RF而言，目前手持設(shè)備話(huà)務(wù)通信的頻率資源主要集中在以1GHz和2GHz為中心的頻率范圍，從抗干擾和諧波抑制角度就要求參考時(shí)鐘的倍頻盡量少地落在這些頻段所涉及的中頻和高頻范圍里。另一個(gè)客觀(guān)原因是用來(lái)產(chǎn)生頻率的石英晶體的物理特性決定了參考時(shí)鐘的選取范圍。此外，主觀(guān)看來(lái)這些頻點(diǎn)接近高頻和低頻的模糊范圍，對(duì)基于參考時(shí)鐘頻率的其它頻率的產(chǎn)生相對(duì)容易。值得一提的是，目前從功耗的角度也驗(yàn)證了使用這個(gè)范圍的頻率作參考時(shí)鐘是折中的選擇。

石英晶體振蕩電路

石英晶體的物理特性

前面提到參考時(shí)鐘的重要性，要產(chǎn)生這樣精確的頻率其基本元件的選擇就至關(guān)重要。經(jīng)過(guò)近一個(gè)多世紀(jì)的工業(yè)經(jīng)驗(yàn)積累，石英晶體最終成為最理想的振源器件。石英晶體最早使用在手表上，它的成份主要是SiO2，由單晶生長(zhǎng)而成，晶格排列整齊，是很好的壓電材料。目前人造單晶石英晶體的使用每年3000噸以上，其使用規(guī)模僅次于硅。采用石英晶體主要是因?yàn)樗奈锢硖匦苑蠀⒖紩r(shí)鐘的要求，而且石英晶體是目前唯一擁有以下特性的材料：

·具有壓電效應(yīng)；
·可以應(yīng)力補(bǔ)償和零溫度系數(shù)切割；
·低損耗且具有高品質(zhì)因數(shù)Q；
·制作工藝簡(jiǎn)單，硬而不脆，對(duì)除氟化物和高堿性以外的條件不敏感；
·自然界中貯量豐富，可以生長(zhǎng)為多晶體，純度容易控制。

壓電效應(yīng)

壓電效應(yīng)是在1880年Jacques和PierreCurie發(fā)現(xiàn)的，是應(yīng)用于傳感和控制學(xué)科的最重要的物理效應(yīng)之一。在外加應(yīng)力時(shí)，一些特殊結(jié)構(gòu)的晶體可以產(chǎn)生電壓差，反過(guò)來(lái)，在外電場(chǎng)的作用下，該晶體可以產(chǎn)生彈性形變。壓電效應(yīng)是把應(yīng)力互換為電信號(hào)的重要物理過(guò)程，如圖1所示。



圖1.壓電效應(yīng)原理

振動(dòng)的變化率就是我們關(guān)心的頻率，它決定于振源晶體切割的方位，大小和形狀以及磨光程度，最終中心頻率的調(diào)整和確定是通過(guò)在晶體表面鍍一層原子級(jí)厚度的金來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)穩(wěn)定。

石英晶體振蕩電路的等效模型

石英晶體的物理常數(shù)決定了等效電路圖2和圖3中所示的C0，C1(MotionalCapacitor)，L1(Mass)和R1(BulkLoss)，其中C0的另一部分來(lái)源于電極，固定器和引導(dǎo)線(xiàn)。



圖2石英晶體的等效物理模型，C0包含固定器和引線(xiàn)連接的電容效應(yīng)


圖3石英晶體共振器的等效電路

參考時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)電路時(shí)需要考慮的問(wèn)題主要有：如何讓電路產(chǎn)生振蕩，怎樣維持振蕩，怎樣補(bǔ)償環(huán)境變化引起的誤差。



圖4.振蕩電路的串聯(lián)方式


圖5.振蕩電路的并聯(lián)方式


圖6.從模型到電路的轉(zhuǎn)化過(guò)程


圖7.在諧振點(diǎn)附近晶體的頻率響應(yīng)

壓電效應(yīng)使產(chǎn)生振蕩成為可能。但是通過(guò)圖6的轉(zhuǎn)化模型不難發(fā)現(xiàn)一次激勵(lì)所產(chǎn)生的振蕩很快就會(huì)經(jīng)過(guò)阻抗Zl衰減而消失，這就需要增設(shè)一個(gè)“-Zl”的負(fù)電阻來(lái)抵消電路中存在的消耗或者說(shuō)來(lái)不斷向振蕩器提供能量，即在圖4和圖5兩種電路形式中所示的放大器。因?yàn)樽允贾两K參考時(shí)鐘的振蕩電路設(shè)計(jì)總是設(shè)法利用電路的自激振蕩，所以只要通過(guò)一個(gè)正反饋電路就可以維持電路振蕩在特定的頻點(diǎn)fA，期望的理論效果如圖7所示。

為了解決振蕩器的溫度漂移就需要引入溫度傳感器，在這里主要借助熱敏電阻隨溫度變化而改變阻值的特性來(lái)組成溫度補(bǔ)償電路，通過(guò)改變RC電路的諧振點(diǎn)來(lái)調(diào)整整個(gè)電路使其工作在期望的頻率中心，但是RC電路對(duì)頻率的調(diào)整方向必須與振蕩器的溫度漂移趨勢(shì)相反。

在圖8中詳細(xì)列出了該電路的仿真模型和參數(shù)，各部分的功能如圖所示。電路中AFC和Ref_Cal(參考時(shí)鐘校準(zhǔn))的初始化值是用來(lái)決定晶體起振頻率中心的缺省值。射頻輸出(RF_Out)和基帶輸出(BB_Out)中間的Buffer主要作用是調(diào)整基帶輸出的電平和隔離RF和BB兩邊的相互干擾。溫度補(bǔ)償型TCXVCO就是這個(gè)模型的集成電路實(shí)現(xiàn)，即參考時(shí)鐘的模塊設(shè)計(jì)。



圖8參考時(shí)鐘的仿真電路和模塊說(shuō)明

值得一提的是電路中模塊設(shè)置順序并不只局限于圖8所示，變?nèi)萜骱蜏囟妊a(bǔ)償電路以及晶體本身三者之間的位置可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)作調(diào)整，例如變?nèi)萜骺梢栽O(shè)計(jì)在晶體的另外一邊作為反饋電路的一部分，形成不同的應(yīng)用電路。

參考時(shí)鐘的測(cè)試和校準(zhǔn)

對(duì)參考時(shí)鐘需要測(cè)試的參數(shù)主要包括：穩(wěn)定時(shí)間，諧波幅度，波形占空比