通訊手持設備的參考時(shí)鐘設計(05-100)

　　參考時(shí)鐘概述

　　在通訊手持設備當中，參考時(shí)鐘的貢獻就像心臟對人體的作用一樣，絲毫的差異都將導致系統功能的紊亂。之所以定義它為參考，是因為這類(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(zhù)倍頻的增加而介入應用端的工作頻段，無(wú)論是基帶的數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，而且目前大多數都采用13MHz，20MHz，或26MHz，尤其是當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)上對射頻RF而言，目前手持設備話(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，對基于參考時(shí)鐘頻率的其它頻率的產(chǎn)生相對容易。值得一提的是，目前從功耗的角度也驗證了使用這個(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)多世紀的工業(yè)經(jīng)驗積累，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(cháng)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，其使用規模僅次于硅。采用石英晶體主要是因為它的物理特性符合參考時(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;
• 可以應力補償和零溫度系數切割;
• 低損耗且具有高品質(zhì)因數Q;
• 制作工藝簡(jiǎn)單，硬而不脆，對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(cháng)為多晶體，純度容易控制。

　　壓電效應

　　壓電效應是在1880年Jacques和Pierre　Curie發(fā)現的，是應用于傳感和控制學(xué)科的最重要的物理效應之一。在外加應力時(shí)，一些特殊結構的晶體可以產(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。壓電效應是把應力互換為電信號的重要物理過(guò)程，如圖1所示。

 

　　圖1.壓電效應原理

　　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，最終中心頻率的調整和確定是通過(guò)在晶體表面鍍一層原子級厚度的金來(lái)實(shí)現振動(dòng)穩定。

　　石英晶體振蕩電路的等效模型

　　石英晶體的物理常數決定了等效電路圖2和圖3中所示的C0，C1(Motional　Capacitor)，L1(Mass)和R1(Bulk　Loss)，其中C0的另一部分來(lái)源于電極，固定器和引導線(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