MEMS時(shí)鐘振蕩器在射頻系統(tǒng)中的應(yīng)用

       時(shí)鐘振蕩器和射頻系統(tǒng)

　　時(shí)鐘振蕩器作為頻率合成鎖相環(huán)的參考信號(hào)源，廣泛應(yīng)用于各種射頻系統(tǒng)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(qū)動(dòng)信號(hào)。參考時(shí)鐘振蕩器的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度決定了本振信號(hào)和射頻收發(fā)器工作頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn) 定度。對(duì)頻率精度要求不高的射頻系統(tǒng)使用射頻芯片內(nèi)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(dá)到10-4~10-5的頻率精度。對(duì)頻 率誤差和環(huán)境穩(wěn)定性要求更高的射頻通信系統(tǒng)需要獨(dú)立的溫補(bǔ)振蕩器(TCXO)或頻率可以微調(diào)的牽引溫補(bǔ)振蕩器(VC-TCXO)來(lái)達(dá)到10-6~10-7 精度等級(jí)。恒溫振蕩器(OCXO)隔離了外部溫度對(duì)振蕩器的影響，使頻率精度達(dá)到了10-8~10-9，能滿足無(wú)線基站和高容量光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間和頻率基準(zhǔn)要求。

　　

 

　　圖1：時(shí)鐘振蕩器在射頻系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　射頻系統(tǒng)的時(shí)鐘發(fā)生電路可提供數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的取樣時(shí)鐘、基帶數(shù)字信號(hào)處理器時(shí)鐘、串行數(shù)據(jù)和時(shí)鐘恢復(fù)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(duì)模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換的信噪比和數(shù)據(jù)傳輸誤碼率和恢復(fù)時(shí)鐘的抖動(dòng)都有重要影響。

　　射頻系統(tǒng)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(yīng)用。經(jīng)過(guò)無(wú)線或有線信號(hào)傳輸和時(shí)鐘恢復(fù)過(guò)程，受信道噪聲的影響，系統(tǒng)時(shí)鐘的相位噪聲和抖動(dòng)會(huì)增加。 抖動(dòng)清除電路應(yīng)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(duì)系統(tǒng)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(wěn)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(xiàn)了優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)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(gòu)上，全硅MEMS時(shí)鐘振蕩器結(jié)合了固定頻率的MEMS諧振器和提供溫度補(bǔ)償和頻率合成功能的、具有高分辨率的、分?jǐn)?shù)N鎖相環(huán)電路。基于這一架構(gòu)已經(jīng) 開(kāi)發(fā)出各種不同類別的時(shí)鐘振蕩器—從單端和差分信號(hào)輸出的標(biāo)準(zhǔn)振蕩器、TCXO、VC-TCXO、VCXO到數(shù)字控制振蕩器(DCXO)。

　　本文介紹基于MEMS的DCXO和傳統(tǒng)牽引振蕩器在抖動(dòng)清除和通信同步鎖相環(huán)路應(yīng)用中的比較。并以實(shí)例說(shuō)明如何應(yīng)用高性能DCXO和FPGA來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)潔的、全數(shù)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(diào)整頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率控制。直接牽引頻率的 VCXO用調(diào)整變?nèi)荻O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(diào)整可以保持低相位噪聲，但牽引范圍被限制在約±200ppm。當(dāng)系統(tǒng)應(yīng)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)，用戶更傾向于選擇 基于鎖相環(huán)的MEMS控制振蕩器架構(gòu)，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁└哌_(dá)±1600ppm的牽引范圍。

　　基于鎖相環(huán)的MEMS VCXO內(nèi)部電路包括一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)一個(gè)分?jǐn)?shù)N鎖相環(huán)來(lái)調(diào)節(jié)輸出頻率。該架構(gòu)在牽引范圍和VCO增益(Kv)的線性度 都優(yōu)于直接牽引方式?；谧?nèi)荻O管的VCXO的VCO增益線性度僅為10%，而鎖相環(huán)頻率牽引的線性度可以達(dá)到0.1% 至1.0%。良好的線性度使得鎖相環(huán)路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化并在整個(gè)工作范圍內(nèi)更加穩(wěn)定。