通讯手持设备的参考时钟设计(05-100)

 

　　图7.　在谐振点附近晶体的频率响应

　　压电效应使产生振荡成为可能。但是通过图6的转化模型不难发现一次激励所产生的振荡很快就会经过阻抗Zl衰减而消失，这就需要增设一个“-Zl”的负电阻来抵消电路中存在的消耗或者说来不断向振荡器提供能量，即在图4和图5两种电路形式中所示的放大器。因为自始至终参考时钟的振荡电路设计总是设法利用电路的自激振荡，所以只要通过一个正反馈电路就可以维持电路振荡在特定的频点fA，期望的理论效果如图7所示。

　　为了解决振荡器的温度漂移就需要引入温度传感器，在这里主要借助热敏电阻随温度变化而改变阻值的特性来组成温度补偿电路，通过改变RC电路的谐振点来调整整个电路使其工作在期望的频率中心，但是RC电路对频率的调整方向必须与振荡器的温度漂移趋势相反。

　　在图8中详细列出了该电路的仿真模型和参数，各部分的功能如图所示。电路中AFC和Ref_Cal(参考时钟校准)的初始化值是用来决定晶体起振频率中心的缺省值。射频输出(RF_Out)和基带输出(BB_Out)中间的Buffer主要作用是调整基带输出的电平和隔离RF和BB两边的相互干扰。温度补偿型TCXVCO就是这个模型的集成电路实现，即参考时钟的模块设计。

 

　　图8　参考时钟的仿真电路和模块说明

　　值得一提的是电路中模块设置顺序并不只局限于图8所示，变容器和温度补偿电路以及晶体本身三者之间的位置可以根据经验作调整，例如变容器可以设计在晶体的另外一边作为反馈电路的一部分，形成不同的应用电路。

　　参考时钟的测试和校准

　　对参考时钟需要测试的参数主要包括：稳定时间，谐波幅度，波形占空比，频率随温度的漂移关系，频率随系统输出功率变化的关系，AFC自动频率控制的线性度，控制器DAC对频率误差的响应以及参考时钟模块的功耗。

　　稳定时间是指从晶体得电起振直到一定范围的稳定输出所用的时间，即按照设计指标要求达到指定ppm精度范围内，它是衡量电路设计成功与否的关键参数。测试中除用到通讯综测仪以外还要用到MDA(Modulation　Domain　Analyzer),如Agilent53310A，在采集频率信号时必须选用高阻抗的测试头(Probe)。对谐波幅度的测试要集中验证那些落在接收和发射频段以及频率合成器频段内的频点。频率随温度的漂移关系和频率随系统输出功率变化的关系主要用来分析频率的稳定性。AFC自动频率控制的线性度和控制器DAC对频率误差的响应虽然测试的物理量相同但是侧重点各有不同，前者在于对频率变化的响应速度，后者则表明对频率的跟随和校准能力。参考时钟模块的功耗也越来越成为低功耗设备的设计焦点，除了使参考时钟模块的功耗本身降低外还需要在系统进入省电模式时利用相对较低的时钟来取代参考时钟，使系统能够有机会随系统消息处理量来灵活地开关参考时钟，从而达到节能的目的。

　　与参考时钟相关的问题

　　参考时钟的辐射干扰主要对射频RF的性能影响比较大。众所周知，处理射频问题没有固定的公式，很大程度都要靠经验积累。参考时钟作为射频部分的最核心模块，有很多问题都与它有着千丝万缕的联系，最常见的问题可以归纳为：频率误差，网络同步错误，训练序列丢失，相位误差，由相位噪声和频率误差引起的灵敏度降低，以及谐波干扰。

　　解决与参考时钟相关的这类问题主要也最根本的方法是做好参考时钟在印刷电路板PCB上的布线，如果条件许可最好给这部分电路设计单独的屏蔽罩。

　　参考时钟电路的布线技巧

　　随着芯片集成度的提高，通过调整电路中的分立器件的数值来调整电路性能的工作量已经大大减少，取而代之的是细致的电路布线工作，射频工程师的主动权往往取决于布线的好坏。布线之前要慎重考虑器件的摆放位置，积极和结构工程师沟通，且在机构允许的条件下的各种尝试和讨论是必不可少的。

　　布线时对所有走线要站在全局高度作优先级规划，首先应该优先考虑参考时钟线路。参考时钟输出到达器件引脚的路线要尽量短，对长距离时钟线必要时可以采取两倍线间距条件作保护地。同层和相邻层不应该有走线与时钟线在位置上近距离平行，尤其要妥善处理参考时钟线路与功放电源线和射频单元逻辑控制电源线之间的位置。

　　晶体所在位置铺地时要仔细斟酌，针对参考时钟分离器件设计和参考时钟模块设计在寄生电容和散热效果之间作折中选择。实践证明参考时钟线路中的寄生电容应该尽量避免和消除;参考时钟线路接地布线最忌讳的是在未到达主地之前与屏蔽室的地或锁相环的地互连，同时尽量避免孤岛型地的存在，如果可能就优先采取单点直到主地的方法。

　　生产校准

　　从需要校准的数值来看，参考时钟的生产校准只需要满足频率误差的要求就可以了。但是在生产校准过程中必须考虑温度对这一部分电路的影响，按照生产工序的安排需要在校准算法中增加温度补偿系数，而且该系数的统计选取必须涵盖实际生产操作中回流焊之后到校准开始所享有的温度恢复时间的变化效应。