通訊手持設備的參考時鐘設計(05-100)

　　參考時鐘概述

　　在通訊手持設備當中，參考時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，是因為這類產品能否正常工作完全依賴于該時鐘的精確度;而且一旦有誤差存在，該誤差就會隨著倍頻的增加而介入應用端的工作頻段，無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受到影響。通常參考時鐘所采用的中心頻點都在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鐘時以13MHz和26MHz最多。

　　為什么要采用13MHz和26MHz作為參考時鐘呢?客觀上對射頻RF而言，目前手持設備話務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。另一個客觀原因是用來產生頻率的石英晶體的物理特性決定了參考時鐘的選取范圍。此外，主觀看來這些頻點接近高頻和低頻的模糊范圍，對基于參考時鐘頻率的其它頻率的產生相對容易。值得一提的是，目前從功耗的角度也驗證了使用這個范圍的頻率作參考時鐘是折中的選擇。

　　石英晶體振蕩電路

　　石英晶體的物理特性

　　前面提到參考時鐘的重要性，要產生這樣精確的頻率其基本元件的選擇就至關重要。經過近一個多世紀的工業經驗積累，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因數Q;
• 制作工藝簡單，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發現的，是應用于傳感和控制學科的最重要的物理效應之一。在外加應力時，一些特殊結構的晶體可以產生電壓差，反過來，在外電場的作用下，該晶體可以產生彈性形變。壓電效應是把應力互換為電信號的重要物理過程，如圖1所示。

 

　　圖1.壓電效應原理

　　振動的變化率就是我們關心的頻率，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在晶體表面鍍一層原子級厚度的金來實現振動穩定。

　　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的另一部分來源于電極，固定器和引導線。

 

　　圖2　石英晶體的等效物理模型，C0包含固定器和引線連接的電容效應