通訊手持設備的參考時(shí)鐘設計(05-100)

 

　　圖7.　在諧振點(diǎn)附近晶體的頻率響應

　　壓電效應使產(chǎn)生振蕩成為可能。但是通過(guò)圖6的轉化模型不難發(fā)現一次激勵所產(chǎn)生的振蕩很快就會(huì )經(jīng)過(guò)阻抗Zl衰減而消失，這就需要增設一個(gè)“-Zl”的負電阻來(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。因為自始至終參考時(shí)鐘的振蕩電路設計總是設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)組成溫度補償電路，通過(guò)改變RC電路的諧振點(diǎn)來(lái)調整整個(gè)電路使其工作在期望的頻率中心，但是RC電路對頻率的調整方向必須與振蕩器的溫度漂移趨勢相反。

　　在圖8中詳細列出了該電路的仿真模型和參數，各部分的功能如圖所示。電路中AFC和Ref_Cal(參考時(shí)鐘校準)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主要作用是調整基帶輸出的電平和隔離RF和BB兩邊的相互干擾。溫度補償型TCXVCO就是這個(gè)模型的集成電路實(shí)現，即參考時(shí)鐘的模塊設計。

 

　　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置順序并不只局限于圖8所示，變容器和溫度補償電路以及晶體本身三者之間的位置可以根據經(jīng)驗作調整，例如變容器可以設計在晶體的另外一邊作為反饋電路的一部分，形成不同的應用電路。

　　參考時(shí)鐘的測試和校準

　　對參考時(shí)鐘需要測試的參數主要包括：穩定時(shí)間，諧波幅度，波形占空比，頻率隨溫度的漂移關(guān)系，頻率隨系統輸出功率變化的關(guān)系，AFC自動(dòng)頻率控制的線(xiàn)性度，控制器DAC對頻率誤差的響應以及參考時(shí)鐘模塊的功耗。

　　穩定時(shí)間是指從晶體得電起振直到一定范圍的穩定輸出所用的時(shí)間，即按照設計指標要求達到指定ppm精度范圍內，它是衡量電路設計成功與否的關(guān)鍵參數。測試中除用到通訊綜測儀以外還要用到MDA(Modulation　Domain　Analyzer),如Agilent53310A，在采集頻率信號時(shí)必須選用高阻抗的測試頭(Probe)。對諧波幅度的測試要集中驗證那些落在接收和發(fā)射頻段以及頻率合成器頻段內的頻點(diǎn)。頻率隨溫度的漂移關(guān)系和頻率隨系統輸出功率變化的關(guān)系主要用來(lái)分析頻率的穩定性。AFC自動(dòng)頻率控制的線(xiàn)性度和控制器DAC對頻率誤差的響應雖然測試的物理量相同但是側重點(diǎn)各有不同，前者在于對頻率變化的響應速度，后者則表明對頻率的跟隨和校準能力。參考時(shí)鐘模塊的功耗也越來(lái)越成為低功耗設備的設計焦點(diǎn)，除了使參考時(shí)鐘模塊的功耗本身降低外還需要在系統進(jìn)入省電模式時(shí)利用相對較低的時(shí)鐘來(lái)取代參考時(shí)鐘，使系統能夠有機會(huì )隨系統消息處理量來(lái)靈活地開(kāi)關(guān)參考時(shí)鐘，從而達到節能的目的。

　　與參考時(shí)鐘相關(guān)的問(wèn)題

　　參考時(shí)鐘的輻射干擾主要對射頻RF的性能影響比較大。眾所周知，處理射頻問(wèn)題沒(méi)有固定的公式，很大程度都要靠經(jīng)驗積累。參考時(shí)鐘作為射頻部分的最核心模塊，有很多問(wèn)題都與它有著(zhù)千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，最常見(jiàn)的問(wèn)題可以歸納為：頻率誤差，網(wǎng)絡(luò )同步錯誤，訓練序列丟失，相位誤差，由相位噪聲和頻率誤差引起的靈敏度降低，以及諧波干擾。

　　解決與參考時(shí)鐘相關(guān)的這類(lèi)問(wèn)題主要也最根本的方法是做好參考時(shí)鐘在印刷電路板PCB上的布線(xiàn)，如果條件許可最好給這部分電路設計單獨的屏蔽罩。

　　參考時(shí)鐘電路的布線(xiàn)技巧

　　隨著(zhù)芯片集成度的提高，通過(guò)調整電路中的分立器件的數值來(lái)調整電路性能的工作量已經(jīng)大大減少，取而代之的是細致的電路布線(xiàn)工作，射頻工程師的主動(dòng)權往往取決于布線(xiàn)的好壞。布線(xiàn)之前要慎重考慮器件的擺放位置，積極和結構工程師溝通，且在機構允許的條件下的各種嘗試和討論是必不可少的。

　　布線(xiàn)時(shí)對所有走線(xiàn)要站在全局高度作優(yōu)先級規劃，首先應該優(yōu)先考慮參考時(shí)鐘線(xiàn)路。參考時(shí)鐘輸出到達器件引腳的路線(xiàn)要盡量短，對長(cháng)距離時(shí)鐘線(xiàn)必要時(shí)可以采取兩倍線(xiàn)間距條件作保護地。同層和相鄰層不應該有走線(xiàn)與時(shí)鐘線(xiàn)在位置上近距離平行，尤其要妥善處理參考時(shí)鐘線(xiàn)路與功放電源線(xiàn)和射頻單元邏輯控制電源線(xiàn)之間的位置。

　　晶體所在位置鋪地時(shí)要仔細斟酌，針對參考時(shí)鐘分離器件設計和參考時(shí)鐘模塊設計在寄生電容和散熱效果之間作折中選擇。實(shí)踐證明參考時(shí)鐘線(xiàn)路中的寄生電容應該盡量避免和消除;參考時(shí)鐘線(xiàn)路接地布線(xiàn)最忌諱的是在未到達主地之前與屏蔽室的地或鎖相環(huán)的地互連，同時(shí)盡量避免孤島型地的存在，如果可能就優(yōu)先采取單點(diǎn)直到主地的方法。

　　生產(chǎn)校準

　　從需要校準的數值來(lái)看，參考時(shí)鐘的生產(chǎn)校準只需要滿(mǎn)足頻率誤差的要求就可以了。但是在生產(chǎn)校準過(guò)程中必須考慮溫度對這一部分電路的影響，按照生產(chǎn)工序的安排需要在校準算法中增加溫度補償系數，而且該系數的統計選取必須涵蓋實(shí)際生產(chǎn)操作中回流焊之后到校準開(kāi)始所享有的溫度恢復時(shí)間的變化效應。