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探索GPS模塊應(yīng)用的TCXO溫補(bǔ)晶振微型工藝

來源：http://konuaer.com 作者：康華爾電子 2020年04月08
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,利潤也相對較高.目前市場上最小體積的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)廣泛用于移動通信系統(tǒng),例如個人導(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)趨勢以及將TCXO用作GPS接收機(jī)的主要定時參考的一些要求.然后,我們描述TCXO的微型尺寸以滿足出色性能的設(shè)計考慮.還介紹了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)率的包裝設(shè)計的獨(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:
　　常規(guī)的模擬TCXO采用帶有多個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,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,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.
表1.TCXO相對面積指數(shù)
年份 尺寸(mm) 長*寬(mm) 相對面積指數(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)計和實(shí)現(xiàn)對于TCXO模塊也是一個巨大的挑戰(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.我們推斷,由于微小的石英晶體的設(shè)計挑戰(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
TCXO-GPS應(yīng)用的設(shè)計注意事項(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,通常價格約為2,000美元.就目前而言,許多移動設(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美元的移動設(shè)備成本即可.具有競爭力的成本使具有內(nèi)置GPS功能的移動設(shè)備在全球范圍內(nèi)不斷上升,并且也推動了對具有高穩(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信號從RF傳輸?shù)絀F(中頻).根據(jù)接收機(jī)設(shè)計,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正確對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時應(yīng)考慮幾個性能參數(shù).由于搜索窗口的算法以及GPS接收機(jī)中TTFF(首次定位時間)的要求,TCXO需要在整個溫度范圍內(nèi)具有±2.0ppm和±0.5ppm的頻率不確定性,以確保能夠檢測到GPS信號.同時,時域時鐘穩(wěn)定性(即漂移率,rAVAR)和相位噪聲也會影響GPS接收機(jī)檢測GPS信號的能力.較差的時鐘穩(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TCXO頻率的急劇變化,則衛(wèi)星信號可能會丟失,并且位置信息也會丟失.
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
100Hz偏移時
1KHz偏移時
10KHz偏移時
100KHz偏移時
1MHz偏移時		 -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
錯過
　　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?？梢员硎緸槿畏匠淌?
(1)
 
　　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)行時域分析來判斷.
(2)
 
　　其中f0是標(biāo)稱頻率(Hz),N是頻率數(shù)據(jù)點(diǎn),fi是第i個頻率測量值(Hz),τ是計數(shù)器的門控時間(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
　　對于這樣的小型設(shè)備,在制造過程中對晶體進(jìn)行電學(xué)檢查也是一個極大的挑戰(zhàn).為了最大化晶體的檢查面積,我們在下腔中提出了獨(dú)特的圖案設(shè)計(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(左)與1210包裝中的新設(shè)計(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)計的潛力.用于改善電流消耗的優(yōu)化解決方案是下一個挑戰(zhàn).
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