通訊手持設(shè)備的參考時鐘設(shè)計(05-100)

 

　　圖7.　在諧振點附近晶體的頻率響應(yīng)

　　壓電效應(yīng)使產(chǎn)生振蕩成為可能。但是通過圖6的轉(zhuǎn)化模型不難發(fā)現(xiàn)一次激勵所產(chǎn)生的振蕩很快就會經(jīng)過阻抗Zl衰減而消失，這就需要增設(shè)一個“-Zl”的負(fù)電阻來抵消電路中存在的消耗或者說來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鐘的振蕩電路設(shè)計總是設(shè)法利用電路的自激振蕩，所以只要通過一個正反饋電路就可以維持電路振蕩在特定的頻點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組成溫度補償電路，通過改變RC電路的諧振點來調(diào)整整個電路使其工作在期望的頻率中心，但是RC電路對頻率的調(diào)整方向必須與振蕩器的溫度漂移趨勢相反。

　　在圖8中詳細(xì)列出了該電路的仿真模型和參數(shù)，各部分的功能如圖所示。電路中AFC和Ref_Cal(參考時鐘校準(zhǔn))的初始化值是用來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(diào)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就是這個模型的集成電路實現(xiàn)，即參考時鐘的模塊設(shè)計。

 

　　圖8　參考時鐘的仿真電路和模塊說明

　　值得一提的是電路中模塊設(shè)置順序并不只局限于圖8所示，變?nèi)萜骱蜏囟妊a償電路以及晶體本身三者之間的位置可以根據(jù)經(jīng)驗作調(diào)整，例如變?nèi)萜骺梢栽O(shè)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(yīng)用電路。

　　參考時鐘的測試和校準(zhǔn)

　　對參考時鐘需要測試的參數(shù)主要包括：穩(wěn)定時間，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(tǒng)輸出功率變化的關(guān)系，AFC自動頻率控制的線性度，控制器DAC對頻率誤差的響應(yīng)以及參考時鐘模塊的功耗。

　　穩(wěn)定時間是指從晶體得電起振直到一定范圍的穩(wěn)定輸出所用的時間，即按照設(shè)計指標(biāo)要求達(dá)到指定ppm精度范圍內(nèi)，它是衡量電路設(shè)計成功與否的關(guān)鍵參數(shù)。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(nèi)的頻點。頻率隨溫度的漂移關(guān)系和頻率隨系統(tǒng)輸出功率變化的關(guān)系主要用來分析頻率的穩(wěn)定性。AFC自動頻率控制的線性度和控制器DAC對頻率誤差的響應(yīng)雖然測試的物理量相同但是側(cè)重點各有不同，前者在于對頻率變化的響應(yīng)速度，后者則表明對頻率的跟隨和校準(zhǔn)能力。參考時鐘模塊的功耗也越來越成為低功耗設(shè)備的設(shè)計焦點，除了使參考時鐘模塊的功耗本身降低外還需要在系統(tǒng)進(jìn)入省電模式時利用相對較低的時鐘來取代參考時鐘，使系統(tǒng)能夠有機(jī)會隨系統(tǒng)消息處理量來靈活地開關(guān)參考時鐘，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

　　與參考時鐘相關(guān)的問題

　　參考時鐘的輻射干擾主要對射頻RF的性能影響比較大。眾所周知，處理射頻問題沒有固定的公式，很大程度都要靠經(jīng)驗積累。參考時鐘作為射頻部分的最核心模塊，有很多問題都與它有著千絲萬縷的聯(lián)系，最常見的問題可以歸納為：頻率誤差，網(wǎng)絡(luò)同步錯誤，訓(xùn)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。

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

　　參考時鐘電路的布線技巧

　　隨著芯片集成度的提高，通過調(diào)整電路中的分立器件的數(shù)值來調(diào)整電路性能的工作量已經(jīng)大大減少，取而代之的是細(xì)致的電路布線工作，射頻工程師的主動權(quán)往往取決于布線的好壞。布線之前要慎重考慮器件的擺放位置，積極和結(jié)構(gòu)工程師溝通，且在機(jī)構(gòu)允許的條件下的各種嘗試和討論是必不可少的。

　　布線時對所有走線要站在全局高度作優(yōu)先級規(guī)劃，首先應(yīng)該優(yōu)先考慮參考時鐘線路。參考時鐘輸出到達(dá)器件引腳的路線要盡量短，對長距離時鐘線必要時可以采取兩倍線間距條件作保護(hù)地。同層和相鄰層不應(yīng)該有走線與時鐘線在位置上近距離平行，尤其要妥善處理參考時鐘線路與功放電源線和射頻單元邏輯控制電源線之間的位置。

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

　　生產(chǎn)校準(zhǔn)

　　從需要校準(zhǔn)的數(shù)值來看，參考時鐘的生產(chǎn)校準(zhǔn)只需要滿足頻率誤差的要求就可以了。但是在生產(chǎn)校準(zhǔn)過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(zhǔn)算法中增加溫度補償系數(shù)，而且該系數(shù)的統(tǒng)計選取必須涵蓋實際生產(chǎn)操作中回流焊之后到校準(zhǔn)開始所享有的溫度恢復(fù)時間的變化效應(yīng)。