MEMS時(shí)鐘振蕩器在射頻系統中的應用

       時(shí)鐘振蕩器和射頻系統

　　時(shí)鐘振蕩器作為頻率合成鎖相環(huán)的參考信號源，廣泛應用于各種射頻系統的本地振蕩器、時(shí)鐘發(fā)生電路和通信同步電路(見(jiàn)圖1)。

　　本地振蕩器通過(guò)鎖相環(huán)路倍頻，產(chǎn)生射頻混頻電路所需要的本振驅動(dòng)信號。參考時(shí)鐘振蕩器的頻率準確度和穩定度決定了本振信號和射頻收發(fā)器工作頻率的準確度和穩 定度。對頻率精度要求不高的射頻系統使用射頻芯片內置振蕩器電路與外接石英晶體諧振器組成參考時(shí)鐘振蕩器，這可以達到10-4~10-5的頻率精度。對頻 率誤差和環(huán)境穩定性要求更高的射頻通信系統需要獨立的溫補振蕩器(TCXO)或頻率可以微調的牽引溫補振蕩器(VC-TCXO)來(lái)達到10-6~10-7 精度等級。恒溫振蕩器(OCXO)隔離了外部溫度對振蕩器的影響，使頻率精度達到了10-8~10-9，能滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)基站和高容量光纖傳輸網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的時(shí)間和頻率基準要求。

　　

 

　　圖1：時(shí)鐘振蕩器在射頻系統中的應用

　　射頻系統的時(shí)鐘發(fā)生電路可提供數模和模數轉換電路的取樣時(shí)鐘、基帶數字信號處理器時(shí)鐘、串行數據和時(shí)鐘恢復電路的本地時(shí)鐘。作為時(shí)鐘發(fā)生電路的參考源，時(shí)鐘振蕩器的相位噪聲和抖動(dòng)性能，對模數信號轉換的信噪比和數據傳輸誤碼率和恢復時(shí)鐘的抖動(dòng)都有重要影響。

　　射頻系統的通信同步和抖動(dòng)清除電路也是時(shí)鐘振蕩器的重要應用。經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)信號傳輸和時(shí)鐘恢復過(guò)程，受信道噪聲的影響，系統時(shí)鐘的相位噪聲和抖動(dòng)會(huì )增加。 抖動(dòng)清除電路應用窄帶鎖相環(huán)路和具有低相位噪聲特性的牽引振蕩器(VCXO)對系統時(shí)鐘相位噪聲進(jìn)行過(guò)濾，可獲得低抖動(dòng)的時(shí)鐘輸出。

　　全硅MEMS時(shí)鐘振蕩器的頻率穩定性和相位噪聲性能在最近幾年取得了突破性的進(jìn)展。MEMS振蕩器也展現了優(yōu)異的環(huán)境穩定性(全溫度、沖擊、振動(dòng)、電磁干 擾、電源噪聲)和器件可靠性。 在架構上，全硅MEMS時(shí)鐘振蕩器結合了固定頻率的MEMS諧振器和提供溫度補償和頻率合成功能的、具有高分辨率的、分數N鎖相環(huán)電路?；谶@一架構已經(jīng) 開(kāi)發(fā)出各種不同類(lèi)別的時(shí)鐘振蕩器—從單端和差分信號輸出的標準振蕩器、TCXO、VC-TCXO、VCXO到數字控制振蕩器(DCXO)。

　　本文介紹基于MEMS的DCXO和傳統牽引振蕩器在抖動(dòng)清除和通信同步鎖相環(huán)路應用中的比較。并以實(shí)例說(shuō)明如何應用高性能DCXO和FPGA來(lái)設計一個(gè)簡(jiǎn)潔的、全數字化的抖動(dòng)清除鎖相環(huán)電路。

　　頻率控制方法

　　振蕩器可通過(guò)直接牽引頻率或使用高分辨率鎖相環(huán)調整頻率來(lái)實(shí)現頻率控制。直接牽引頻率的 VCXO用調整變容二極管電壓來(lái)改變諧振電路電容，而直接牽引頻率的DCXO通過(guò)可編程開(kāi)關(guān)切換不同的諧振電容。使用石英晶體諧振器的VCXO直接牽引頻 率調整可以保持低相位噪聲，但牽引范圍被限制在約±200ppm。當系統應用需要更寬的頻率牽引范圍和與晶體振蕩器相近的低噪聲特性時(shí)，用戶(hù)更傾向于選擇 基于鎖相環(huán)的MEMS控制振蕩器架構，因為它們可以提供高達±1600ppm的牽引范圍。

　　基于鎖相環(huán)的MEMS VCXO內部電路包括一個(gè)模數轉換器，將輸入電壓轉換成數字信號，并驅動(dòng)一個(gè)分數N鎖相環(huán)來(lái)調節輸出頻率。該架構在牽引范圍和VCO增益(Kv)的線(xiàn)性度 都優(yōu)于直接牽引方式?；谧內荻O管的VCXO的VCO增益線(xiàn)性度僅為10%，而鎖相環(huán)頻率牽引的線(xiàn)性度可以達到0.1% 至1.0%。良好的線(xiàn)性度使得鎖相環(huán)路設計簡(jiǎn)化并在整個(gè)工作范圍內更加穩定。