探索GPS模塊應(yīng)用的TCXO溫補(bǔ)晶振微型工藝
　　關(guān)于TCXO晶振大家都不陌生,這是一種現(xiàn)在比較常用的頻率控制元器件,使用較多的頻率主要有10.000MHz,16.368MHz,19.200MHz,26.000MHz,32.000MHz,52.000MHz等.基本上從事石英頻率元件的廠家,都會(huì)生產(chǎn)溫度補(bǔ)償型晶體振蕩器,一來是因?yàn)槠湫枨罅看?而且制造并不復(fù)雜,利潤也相對(duì)較高.目前市場(chǎng)上最小體積的TCXO振蕩器是1612mm的,接下來我們看看,這些年,溫補(bǔ)晶振尺寸和工藝的發(fā)展過程.
　　溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)廣泛用于移動(dòng)通信系統(tǒng),例如個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備(PND)和手機(jī).最近,可穿戴設(shè)備強(qiáng)烈要求其內(nèi)部的電子組件更小,更薄.此外,GPS/GNSS應(yīng)用還需要考慮近相噪聲和整體頻率穩(wěn)定性.因此,本文證明了采用H型封裝的超小型TCXO可以滿足此類要求.
　　TCXO溫補(bǔ)振蕩器由于其頻率穩(wěn)定性和低成本而繼續(xù)在頻率控制應(yīng)用中廣泛使用.在本文中,我們首先回顧了TCXO的技術(shù)趨勢(shì)以及將TCXO用作GPS接收機(jī)的主要定時(shí)參考的一些要求.然后,我們描述TCXO的微型尺寸以滿足出色性能的設(shè)計(jì)考慮.還介紹了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)率的包裝設(shè)計(jì)的獨(dú)特模式.而且,外觀及其電氣性能最終將被絕緣.
TCXO的技術(shù)趨勢(shì):
　　常規(guī)的模擬TCXO采用帶有多個(gè)無源元件的電阻熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn),并且由于熱敏電阻不適合集成而難以減小尺寸.2001年,AKM(旭化成微器件公司)推出了用于手機(jī)和其他應(yīng)用的完全集成的CMOS模擬TCXO IC.它采用1.0um-CMOS工藝設(shè)計(jì),帶有嵌入式EEPROM,在-30~85℃的溫度下穩(wěn)定性優(yōu)于+/-2.5ppm,芯片面積僅為2.38x1.93mm2.
　　這項(xiàng)工作開始驅(qū)使晶體振蕩器制造商不斷縮小TCXO模塊的設(shè)計(jì)尺寸.如今,使用110nm-CMOS工藝可將TCXO IC芯片面積減小至小于1x1mm2,具有16x1.2mm TCXO模塊的晶振溫度穩(wěn)定性在-30~85℃時(shí)優(yōu)于+/-0.5ppm流行.盡管1.6x1.2mmTCXO適合大多數(shù)商業(yè)應(yīng)用,但市場(chǎng)仍在尋求可穿戴設(shè)備的更小尺寸.我們探究了過去20年TCXO模塊的小型化趨勢(shì),表1顯示面積已從7.0×5.0mm顯著減小到1.2×1.0mm,由于尺寸的原因,小型化率約為1/30.先進(jìn)的TCXO IC設(shè)計(jì).

表1.TCXO相對(duì)面積指數(shù)

年份	尺寸(mm)	長*寬(mm)	相對(duì)面積指數(shù)
1998	7050	7.0*5.0	29.1X
1999	5032	5.0*3.2	13.3X
2002	4025	4.0*2.5	8.3X
2003	3225	3.2*2.5	6.6X
2006	2520	2.5*2.0	4.1X
2008	2016	2.0*1.6	2.6X
2012	1612	1.6*1.2	1.6X
2014	1210	1.2*1.0	1X

　　此外,超小型尺寸石英芯片的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)對(duì)于TCXO模塊也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn),晶體振蕩器制造商通常采用斜角石英芯片將振動(dòng)能量捕獲在中心區(qū)域,以減小串聯(lián)效應(yīng)(ESR).以滿足TCXO IC提供的負(fù)電阻(-R)的能力.我們還在圖1中繪制了TCXO的小型化趨勢(shì).我們推斷,由于微小的石英晶體的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和陶瓷封裝的加工能力,未來的小型化率將略有下降.

圖1.TCXO模塊的小型化趨勢(shì)

TCXO-GPS應(yīng)用的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng):
　　就在2004年,PLGR(精密輕型GPS接收器)是美國軍方最廣泛使用的接收器,通常價(jià)格約為2,000美元.就目前而言,許多移動(dòng)設(shè)備都具有GPS,該GPS可以獲取的衛(wèi)星水平是PLGR的100倍,僅需要增加不到5美元的移動(dòng)設(shè)備成本即可.具有競(jìng)爭力的成本使具有內(nèi)置GPS功能的移動(dòng)設(shè)備在全球范圍內(nèi)不斷上升,并且也推動(dòng)了對(duì)具有高穩(wěn)定性能以進(jìn)行精確定位的微型TCXO的需求.
　　圖2說明了標(biāo)準(zhǔn)的GPS接收器架構(gòu)[2].在RF前端,它包括放大器,濾波器和A-D轉(zhuǎn)換器.天線接收GPS信號(hào)和衛(wèi)星產(chǎn)生的噪聲,然后RF前端通過混頻器,濾波器和A-D轉(zhuǎn)換器將RF信號(hào)從RF傳輸?shù)絀F(中頻).根據(jù)接收機(jī)設(shè)計(jì),中頻通常在2-20MHz的范圍內(nèi).
　　在基帶階段,IF至基帶混頻器去除載波頻率,并保留由衛(wèi)星生成的原始二進(jìn)制代碼.校正器將噪聲信號(hào)乘以PRN碼的副本,乘積由積分器求和.因此,我們可以找到所有可能的代碼交易的所有積分的總和,并在校正器與輸入信號(hào)正確對(duì)齊后看到特征三角形校正峰.NCO(數(shù)控振蕩器)的正確頻率是獲得強(qiáng)校正峰的關(guān)鍵,其性能將由本地振蕩器支配.為了在微弱的信號(hào)采集過程中保持足夠的校正峰值水平,本地石英晶體振蕩器(在消費(fèi)類GPS中通常為TCXO)的頻率精度和穩(wěn)定性是獲得出色GPS/GNSS性能的最關(guān)鍵因素之一.

圖2.帶有RF前端,基帶部分和本地振蕩器的標(biāo)準(zhǔn)GPS接收器架構(gòu)

　　在表2中,選擇TCXO時(shí)應(yīng)考慮幾個(gè)性能參數(shù).由于搜索窗口的算法以及GPS接收機(jī)中TTFF(首次定位時(shí)間)的要求,TCXO需要在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有±2.0ppm和±0.5ppm的頻率不確定性,以確保能夠檢測(cè)到GPS信號(hào).同時(shí),時(shí)域時(shí)鐘穩(wěn)定性(即漂移率,rAVAR)和相位噪聲也會(huì)影響GPS接收機(jī)檢測(cè)GPS信號(hào)的能力.較差的時(shí)鐘穩(wěn)定性將導(dǎo)致較差的靈敏度和較大的位置誤差.此外,如果GPS接收器面對(duì)TCXO頻率的急劇變化,則衛(wèi)星信號(hào)可能會(huì)丟失,并且位置信息也會(huì)丟失.

表2.關(guān)鍵TCXO參數(shù)與GPS性能

#	TCXO晶振參數(shù)	要求	GPS影響
1	初始頻率公差	±2ppm	時(shí)間到
2	頻率與溫度(-30至85℃)	±0.5ppm	第一次修復(fù)
3	老化	<1ppm/yr
4	短期穩(wěn)定性(rAVAR)	<1ppb	信號(hào)微弱
5	頻率漂移率	<5ppb/s	獲得
6	相位噪聲(例如52兆赫) 10Hz偏移時(shí) 100Hz偏移時(shí) 1KHz偏移時(shí) 10KHz偏移時(shí) 100KHz偏移時(shí) 1MHz偏移時(shí)	-74dBc/Hz -99dBc/Hz -124dBc/Hz -134dBc/Hz -141dBc/Hz -141dBc/Hz
7	頻率斜率與溫度的關(guān)系	±0.1ppm/℃	衛(wèi)星信號(hào) 錯(cuò)過

　　模擬TCXO的標(biāo)準(zhǔn)框圖如圖3所示.在校準(zhǔn)過程之前,VCXO(電壓控制晶體振蕩器)的頻率在25℃時(shí)約為+/-15ppm,通常在+/-10ppm的范圍內(nèi).工作溫度.經(jīng)過補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后,將電壓施加到VCXO中的變?nèi)荻O管.電容變化補(bǔ)償了晶體的fvs.T特性,為+/-0.5ppm(-30~85℃).

圖3.模擬TCXO的標(biāo)準(zhǔn)框圖

　　電壓發(fā)生器是將合適的電壓施加到VCXO晶振上以在TCXO中實(shí)現(xiàn)出色的頻率穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性的關(guān)鍵電路.所需V-T曲線的基本概念通常可以表示為三次方程式.
(1)
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　　其中A3和A1是極限溫度和線性溫度區(qū)域的系數(shù),T0是參考溫度,A0是直流偏移.通過適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償方案,可以計(jì)算出最適合T0,A3,A1和A0的系數(shù).將相應(yīng)的系數(shù)數(shù)據(jù)寫入TCXO IC的寄存器后,可以通過腔室溫度掃描來驗(yàn)證頻率穩(wěn)定性.如上所述,TCXO的短期穩(wěn)定性是獲得出色GPS性能的另一個(gè)關(guān)鍵.與等式中一樣,通常通過使用根艾倫方差(rAVAR)[3]進(jìn)行時(shí)域分析來判斷.
(2)
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　　其中f0是標(biāo)稱頻率(Hz),N是頻率數(shù)據(jù)點(diǎn),fi是第i個(gè)頻率測(cè)量值(Hz),τ是計(jì)數(shù)器的門控時(shí)間(秒)分別顯示判斷根數(shù)是否正確的示例艾倫方差在圖4和圖5中供設(shè)計(jì)參考.

圖4.具有適當(dāng)根艾倫方差的TCXO(rAVAR<1ppb,Tau=1sec)

圖5.根艾倫方差不正確的TCXO(rAVAR>5ppb,Tau=1sec)

　　圖6說明了具有H型封裝結(jié)構(gòu)的TCXO.封裝的橫截面類似于字母H,在上腔中安裝有密封AT切割石英諧振器,在下腔中安裝有IC芯片.不合格的石英晶體諧振器可以在倒裝芯片組裝之前進(jìn)行檢查和剔除.

圖6.具有H型封裝結(jié)構(gòu)的TCXO

　　對(duì)于這樣的小型設(shè)備,在制造過程中對(duì)晶體進(jìn)行電學(xué)檢查也是一個(gè)極大的挑戰(zhàn).為了最大化晶體的檢查面積,我們?cè)谙虑恢刑岢隽霜?dú)特的圖案設(shè)計(jì)(綠色區(qū)域),以實(shí)現(xiàn)圖7所示的生產(chǎn)率.

圖7.傳統(tǒng)包裝設(shè)計(jì)(左)與1210包裝中的新設(shè)計(jì)(右)的比較

　　我們完成了頻率為52MHz的1.2x1.0x0.5mmTCXO,電源電壓從1.68V至3.45V,輸出是限幅正弦波,功耗為1.0Vp-p和1.7mA.在1Hz偏移下,典型的近相噪聲約為-60dBc/Hz,在-30~85℃范圍內(nèi),頻率穩(wěn)定性可以滿足+/-0.5ppm,rAVAR小于0.5ppb即可滿足GPS要求.

圖8.2520尺寸的主流產(chǎn)品(左)與1210尺寸的新產(chǎn)品(右)的比較

圖9.具有1.0Vp-p的TCXO限幅正弦波輸出

　　在本文中,我們演示了采用密封AT切割石英諧振器的1.2x1.0mm-TCXO的首次實(shí)現(xiàn).所提供的測(cè)量數(shù)據(jù)通過使用該溫補(bǔ)振蕩器來實(shí)現(xiàn)GPS/GNSS接收器應(yīng)用的出色頻率穩(wěn)定性和相位噪聲,驗(yàn)證了可行性.微型作品展示了減少可穿戴設(shè)備占地面積設(shè)計(jì)的潛力.用于改善電流消耗的優(yōu)化解決方案是下一個(gè)挑戰(zhàn).
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