探索GPS模塊應用的TCXO溫補晶振微型工藝
　　關于TCXO晶振大家都不陌生,這是一種現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,都會生產溫度補償型晶體振蕩器,一來是因為其需求量大,而且制造并不復雜,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,溫補晶振尺寸和工藝的發(fā)展過程.
　　溫度補償晶體振蕩器(TCXO)廣泛用于移動通信系統(tǒng),例如個人導航設備(PND)和手機.最近,可穿戴設備強烈要求其內部的電子組件更小,更薄.此外,GPS/GNSS應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)在頻率控制應用中廣泛使用.在本文中,我們首先回顧了TCXO的技術趨勢以及將TCXO用作GPS接收機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計考慮.還介紹了實現生產率的包裝設計的獨特模式.而且,外觀及其電氣性能最終將被絕緣.
TCXO的技術趨勢:
　　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絡來實現,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)推出了用于手機和其他應用的完全集成的CMOS模擬TCXO IC.它采用1.0um-CMOS工藝設計,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.
　　這項工作開始驅使晶體振蕩器制造商不斷縮小TCXO模塊的設計尺寸.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適合大多數商業(yè)應用,但市場仍在尋求可穿戴設備的更小尺寸.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.先進的TCXO IC設計.

表1.TCXO相對面積指數

年份	尺寸(mm)	長*寬(mm)	相對面積指數
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計和實現對于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(ESR).以滿足TCXO IC提供的負電阻(-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應用的設計注意事項:
　　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美元的移動設備成本即可.具有競爭力的成本使具有內置GPS功能的移動設備在全球范圍內不斷上升,并且也推動了對具有高穩(wěn)定性能以進行精確定位的微型TCXO的需求.
　　圖2說明了標準的GPS接收器架構[2].在RF前端,它包括放大器,濾波器和A-D轉換器.天線接收GPS信號和衛(wèi)星產生的噪聲,然后RF前端通過混頻器,濾波器和A-D轉換器將RF信號從RF傳輸到IF(中頻).根據接收機設計,中頻通常在2-20MHz的范圍內.
　　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(數控振蕩器)的正確頻率是獲得強校正峰的關鍵,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性能的最關鍵因素之一.

圖2.帶有RF前端,基帶部分和本地振蕩器的標準GPS接收器架構

　　在表2中,選擇TCXO時應考慮幾個性能參數.由于搜索窗口的算法以及GPS接收機中TTFF(首次定位時間)的要求,TCXO需要在整個溫度范圍內具有±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接收機檢測GPS信號的能力.較差的時鐘穩(wěn)定性將導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.關鍵TCXO參數與GPS性能

#	TCXO晶振參數	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
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系	±0.1ppm/℃	衛(wèi)星信號錯過

　　模擬TCXO的標準框圖如圖3所示.在校準過程之前,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.工作溫度.經過補償網絡后,將電壓施加到VCXO中的變容二極管.電容變化補償了晶體的fvs.T特性,為+/-0.5ppm(-30~85℃).

圖3.模擬TCXO的標準框圖

　　電壓發(fā)生器是將合適的電壓施加到VCXO晶振上以在TCXO中實現出色的頻率穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性的關鍵電路.所需V-T曲線的基本概念通?？梢员硎緸槿畏匠淌?
(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,T0是參考溫度,A0是直流偏移.通過適當的補償方案,可以計算出最適合T0,A3,A1和A0的系數.將相應的系數數據寫入TCXO IC的寄存器后,可以通過腔室溫度掃描來驗證頻率穩(wěn)定性.如上所述,TCXO的短期穩(wěn)定性是獲得出色GPS性能的另一個關鍵.與等式中一樣,通常通過使用根艾倫方差(rAVAR)[3]進行時域分析來判斷.
(2)
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　　其中f0是標稱頻率(Hz),N是頻率數據點,fi是第i個頻率測量值(Hz),τ是計數器的門控時間(秒)分別顯示判斷根數是否正確的示例艾倫方差在圖4和圖5中供設計參考.

圖4.具有適當根艾倫方差的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型封裝結構的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行檢查和剔除.

圖6.具有H型封裝結構的TCXO

　　對于這樣的小型設備,在制造過程中對晶體進行電學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特的圖案設計(綠色區(qū)域),以實現圖7所示的生產率.

圖7.傳統(tǒng)包裝設計(左)與1210包裝中的新設計(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,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尺寸的主流產品(左)與1210尺寸的新產品(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的首次實現.所提供的測量數據通過使用該溫補振蕩器來實現GPS/GNSS接收器應用的出色頻率穩(wěn)定性和相位噪聲,驗證了可行性.微型作品展示了減少可穿戴設備占地面積設計的潛力.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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