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MEMS時(shí)鐘振蕩器在射頻系統(tǒng)中的應(yīng)用
引言: 結(jié)合了MEMS和高分辨率鎖相環(huán)電路的DCXO，能支持zui小量化噪聲設(shè)計(jì)的高速數(shù)字鎖相環(huán)路和不受頻率牽引范圍影響的相位噪聲，適合于應(yīng)用到各種射頻和通信系統(tǒng)中。
時(shí)鐘振蕩器和射頻系統(tǒng)
時(shí)鐘振蕩器作為頻率合成鎖相環(huán)的參考信號源，廣泛應(yīng)用于各種射頻系統(tǒng)的本地振蕩器、時(shí)鐘發(fā)生電路和通信同步電路(見圖1)。
本地振蕩器通過鎖相環(huán)路倍頻，產(chǎn)生射頻混頻電路所需要的本振驅(qū)動(dòng)信號。參考時(shí)鐘振蕩器的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度決定了本振信號和射頻收發(fā)器工作頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。對頻率精度要求不高的射頻系統(tǒng)使用射頻芯片內(nèi)置振蕩器電路與外接石英晶體諧振器組成參考時(shí)鐘振蕩器，這可以達(dá)到10-4~10-5的頻率精度。對頻率誤差和環(huán)境穩(wěn)定性要求更高的射頻通信系統(tǒng)需要獨(dú)立的溫補(bǔ)振蕩器(TCXO)或頻率可以微調(diào)的牽引溫補(bǔ)振蕩器(VC-TCXO)來達(dá)到10-6~10-7精度等級。恒溫振蕩器(OCXO)隔離了外部溫度對振蕩器的影響，使頻率精度達(dá)到了10-8~10-9，能滿足無線基站和高容量光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間和頻率基準(zhǔn)要求。
射頻系統(tǒng)的時(shí)鐘發(fā)生電路可提供數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的取樣時(shí)鐘、基帶數(shù)字信號處理器時(shí)鐘、串行數(shù)據(jù)和時(shí)鐘恢復(fù)電路的本地時(shí)鐘。作為時(shí)鐘發(fā)生電路的參考源，時(shí)鐘振蕩器的相位噪聲和抖動(dòng)性能，對模數(shù)信號轉(zhuǎn)換的信噪比和數(shù)據(jù)傳輸誤碼率和恢復(fù)時(shí)鐘的抖動(dòng)都有重要影響。
射頻系統(tǒng)的通信同步和抖動(dòng)清除電路也是時(shí)鐘振蕩器的重要應(yīng)用。經(jīng)過無線或有線信號傳輸和時(shí)鐘恢復(fù)過程，受信道噪聲的影響，系統(tǒng)時(shí)鐘的相位噪聲和抖動(dòng)會(huì)增加。抖動(dòng)清除電路應(yīng)用窄帶鎖相環(huán)路和具有低相位噪聲特性的牽引振蕩器(VCXO)對系統(tǒng)時(shí)鐘相位噪聲進(jìn)行過濾，可獲得低抖動(dòng)的時(shí)鐘輸出。
全硅MEMS時(shí)鐘振蕩器的頻率穩(wěn)定性和相位噪聲性能在zui近幾年取得了突破性的進(jìn)展。MEMS振蕩器也展現(xiàn)了優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性(全溫度、沖擊、振動(dòng)、電磁干擾、電源噪聲)和器件可靠性。 在架構(gòu)上，全硅MEMS時(shí)鐘振蕩器結(jié)合了固定頻率的MEMS諧振器和提供溫度補(bǔ)償和頻率合成功能的、具有高分辨率的、分?jǐn)?shù)N鎖相環(huán)電路?；谶@一架構(gòu)已經(jīng)開發(fā)出各種不同類別的時(shí)鐘振蕩器—從單端和差分信號輸出的標(biāo)準(zhǔn)振蕩器、TCXO、VC-TCXO、VCXO到數(shù)字控制振蕩器(DCXO)。
本文介紹基于MEMS的DCXO和傳統(tǒng)牽引振蕩器在抖動(dòng)清除和通信同步鎖相環(huán)路應(yīng)用中的比較。并以實(shí)例說明如何應(yīng)用高性能DCXO和FPGA來設(shè)計(jì)一個(gè)簡潔的、全數(shù)字化的抖動(dòng)清除鎖相環(huán)電路。
頻率控制方法
振蕩器可通過直接牽引頻率或使用高分辨率鎖相環(huán)調(diào)整頻率來實(shí)現(xiàn)頻率控制。直接牽引頻率的VCXO用調(diào)整變?nèi)荻O管電壓來改變諧振電路電容，而直接牽引頻率的DCXO通過可編程開關(guān)切換不同的諧振電容。使用石英晶體諧振器的VCXO直接牽引頻率調(diào)整可以保持低相位噪聲，但牽引范圍被限制在約±200ppm。當(dāng)系統(tǒng)應(yīng)用需要更寬的頻率牽引范圍和與晶體振蕩器相近的低噪聲特性時(shí)，用戶更傾向于選擇基于鎖相環(huán)的MEMS控制振蕩器架構(gòu)，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁└哌_(dá)±1600ppm的牽引范圍。
基于鎖相環(huán)的MEMS VCXO內(nèi)部電路包括一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并驅(qū)動(dòng)一個(gè)分?jǐn)?shù)N鎖相環(huán)來調(diào)節(jié)輸出頻率。該架構(gòu)在牽引范圍和VCO增益(Kv)的線性度都優(yōu)于直接牽引方式?；谧?nèi)荻O管的VCXO的VCO增益線性度僅為10％，而鎖相環(huán)頻率牽引的線性度可以達(dá)到0.1% 至1.0%。良好的線性度使得鎖相環(huán)路設(shè)計(jì)簡化并在整個(gè)工作范圍內(nèi)更加穩(wěn)定。
然而，增加鎖相環(huán)VCXO牽引范圍通常會(huì)增加振蕩器輸出的相位噪聲，這是設(shè)計(jì)人員不愿意增加牽引范圍的一個(gè)原因。DCXO可以解決這個(gè)問題。DCXO可以接收數(shù)字化的頻率牽引信號，并直接驅(qū)動(dòng)DCXO內(nèi)部全數(shù)字化的鎖相環(huán)反饋分頻器及調(diào)制器，不需要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器，從而清除了近載波相位噪聲的一個(gè)來源。
DCXO可以做到在增加頻率牽引范圍而不增加近載波相位噪聲，并具有優(yōu)于1%非常線性的增益響應(yīng)，這可與的VCXO相媲美。DCXO提供許多可編程參數(shù)，因此，設(shè)計(jì)人員可以有更多Kv、輸出頻率、牽引范圍參數(shù)的選擇。
DCXO參數(shù)的選擇
DCXO在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下可用的頻率牽引范圍(APR)是由振蕩器電路的牽引范圍，頻率穩(wěn)定性和長期老化特性所決定的。例如，一個(gè)±150ppm牽引范圍，頻率穩(wěn)定性±10ppm和老化特性 ±5ppm的DCXO將有±135ppm的APR。如果振蕩器的頻率穩(wěn)定性等級降到±50ppm， 則可用頻率范圍APR也減少到±95ppm。在滿足系統(tǒng)規(guī)格前提下，設(shè)計(jì)人員可能需要考慮在所需振蕩器穩(wěn)定性和器件成本之間的權(quán)衡。