參考時(shí)鐘概述 

    在通訊手持設(shè)備當(dāng)中，參考時(shí)鐘的貢獻(xiàn)就像心臟對人體的作用一樣，絲毫的差異都將導(dǎo)致系統(tǒng)功能的紊亂。之所以定義它為參考，是因?yàn)檫@類產(chǎn)品能否正常工作完全依賴于該時(shí)鐘的精確度；而且一旦有誤差存在，該誤差就會(huì)隨著倍頻的增加而介入應(yīng)用端的工作頻段，無論是基帶的數(shù)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(shù)都采用13MHz，20MHz，或26MHz，尤其是當(dāng)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？客觀上對射頻RF而言，目前手持設(shè)備話務(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)客觀原因是用來產(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，主觀看來這些頻點(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(yàn)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)過近一個(gè)多世紀(jì)的工業(yè)經(jīng)驗(yàn)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(guī)模僅次于硅。采用石英晶體主要是因?yàn)樗奈锢硖匦苑蠀⒖紩r(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(yīng)；
·    可以應(yīng)力補(bǔ)償和零溫度系數(shù)切割；
·    低損耗且具有高品質(zhì)因數(shù)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(yīng) 

    壓電效應(yīng)是在1880年Jacques和Pierre Curie發(fā)現(xiàn)的，是應(yīng)用于傳感和控制學(xué)科的最重要的物理效應(yīng)之一。在外加應(yīng)力時(shí)，一些特殊結(jié)構(gòu)的晶體可以產(chǎn)生電壓差，反過來，在外電場的作用下，該晶體可以產(chǎn)生彈性形變。壓電效應(yīng)是把應(yīng)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(yīng)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(diào)整和確定是通過在晶體表面鍍一層原子級厚度的金來實(shí)現(xiàn)振動(dòng)穩(wěn)定。

石英晶體振蕩電路的等效模型 

    石英晶體的物理常數(shù)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(dǎo)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(yīng)

 
圖3  石英晶體共振器的等效電路 

參考時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 
    設(shè)計(jì)電路時(shí)需要考慮的問題主要有：如何讓電路產(chǎn)生振蕩，怎樣維持振蕩，怎樣補(bǔ)償環(huán)境變化引起的誤差。

圖4. 振蕩電路的串聯(lián)方式

 
圖5. 振蕩電路的并聯(lián)方式

圖6.  從模型到電路的轉(zhuǎn)化過程

圖7. 在諧振點(diǎn)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(lì)所產(chǎn)生的振蕩很快就會(huì)經(jīng)過阻抗Zl衰減而消失，這就需要增設(shè)一個(gè)“-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?yàn)樽允贾两K參考時(shí)鐘的振蕩電路設(shè)計(jì)總是設(shè)法利用電路的自激振蕩，所以只要通過一個(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組成溫度補(bǔ)償電路，通過改變RC電路的諧振點(diǎn)來調(diào)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(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(shí)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(bǔ)償型TCXVCO就是這個(gè)模型的集成電路實(shí)現(xiàn)，即參考時(shí)鐘的模塊設(shè)計(jì)。

 

圖8  參考時(shí)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(bǔ)償電路以及晶體本身三者之間的位置可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)作調(diào)整，例如變?nèi)萜骺梢栽O(shè)計(jì)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(shí)鐘的測試和校準(zhǔn) 

    對參考時(shí)鐘需要測試的參數(shù)主要包括：穩(wěn)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(tǒng)輸出功率變化的關(guān)系，AFC自動(dòng)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(shí)鐘模塊的功耗。
 
    穩(wěn)定時(shí)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(shí)間，即按照設(shè)計(jì)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(jì)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(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(yàn)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(diǎn)。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(dòng)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(diǎn)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(shí)鐘模塊的功耗也越來越成為低功耗設(shè)備的設(shè)計(jì)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(tǒng)進(jìn)入省電模式時(shí)利用相對較低的時(shí)鐘來取代參考時(shí)鐘，使系統(tǒng)能夠有機(jī)會(huì)隨系統(tǒng)消息處理量來靈活地開關(guān)參考時(shí)鐘，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

與參考時(shí)鐘相關(guān)的問題
 
    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，處理射頻問題沒有固定的公式，很大程度都要靠經(jīng)驗(yàn)積累。參考時(shí)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(cuò)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(shí)鐘相關(guān)的這類問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，如果條件許可最好給這部分電路設(shè)計(jì)單獨(dú)的屏蔽罩。

參考時(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)鐘線路。參考時(shí)鐘輸出到達(dá)器件引腳的路線要盡量短，對長距離時(shí)鐘線必要時(shí)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(shí)鐘線在位置上近距離平行，尤其要妥善處理參考時(shí)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(shí)要仔細(xì)斟酌，針對參考時(shí)鐘分離器件設(shè)計(jì)和參考時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)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)鐘線路中的寄生電容應(yīng)該盡量避免和消除；參考時(shí)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(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(zhǔn) 

    從需要校準(zhǔn)的數(shù)值來看，參考時(shí)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(bǔ)償系數(shù)，而且該系數(shù)的統(tǒng)計(jì)選取必須涵蓋實(shí)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(shí)間的變化效應(yīng)。