參考時鐘概述 

    在通訊手持設備當中，參考時鐘的貢獻就像心臟對人體的作用一樣，絲毫的差異都將導致系統(tǒng)功能的紊亂。之所以定義它為參考，是因為這類產品能否正常工作完全依賴于該時鐘的精確度；而且一旦有誤差存在，該誤差就會隨著倍頻的增加而介入應用端的工作頻段，無論是基帶的數字和模擬部分還是射頻的上變頻和下變頻都會受到影響。通常參考時鐘所采用的中心頻點都在10MHz ~ 30MHz，而且目前大多數都采用13MHz，20MHz，或26MHz，尤其是當射頻和基帶共用參考時鐘時以13MHz和26MHz最多。 

    為什么要采用13MHz和26MHz作為參考時鐘呢？客觀上對射頻RF而言，目前手持設備話務通信的頻率資源主要集中在以1GHz和2GHz為中心的頻率范圍，從抗干擾和諧波抑制角度就要求參考時鐘的倍頻盡量少地落在這些頻段所涉及的中頻和高頻范圍里。另一個客觀原因是用來產生頻率的石英晶體的物理特性決定了參考時鐘的選取范圍。此外，主觀看來這些頻點接近高頻和低頻的模糊范圍，對基于參考時鐘頻率的其它頻率的產生相對容易。值得一提的是，目前從功耗的角度也驗證了使用這個范圍的頻率作參考時鐘是折中的選擇。

石英晶體振蕩電路

石英晶體的物理特性 

    前面提到參考時鐘的重要性，要產生這樣精確的頻率其基本元件的選擇就至關重要。經過近一個多世紀的工業(yè)經驗積累，石英晶體最終成為最理想的振源器件。石英晶體最早使用在手表上，它的成份主要是SiO2，由單晶生長而成，晶格排列整齊，是很好的壓電材料。目前人造單晶石英晶體的使用每年3000噸以上，其使用規(guī)模僅次于硅。采用石英晶體主要是因為它的物理特性符合參考時鐘的要求，而且石英晶體是目前唯一擁有以下特性的材料：

·    具有壓電效應；
·    可以應力補償和零溫度系數切割；
·    低損耗且具有高品質因數Q；
·    制作工藝簡單，硬而不脆，對除氟化物和高堿性以外的條件不敏感；
·    自然界中貯量豐富，可以生長為多晶體，純度容易控制。

壓電效應 

    壓電效應是在1880年Jacques和Pierre Curie發(fā)現的，是應用于傳感和控制學科的最重要的物理效應之一。在外加應力時，一些特殊結構的晶體可以產生電壓差，反過來，在外電場的作用下，該晶體可以產生彈性形變。壓電效應是把應力互換為電信號的重要物理過程，如圖1所示。

 

圖1. 壓電效應原理

    振動的變化率就是我們關心的頻率，它決定于振源晶體切割的方位，大小和形狀以及磨光程度，最終中心頻率的調整和確定是通過在晶體表面鍍一層原子級厚度的金來實現振動穩(wěn)定。

石英晶體振蕩電路的等效模型 

    石英晶體的物理常數決定了等效電路圖2和圖3中所示的C0， C1(Motional Capacitor)， L1(Mass)和R1(Bulk Loss)，其中C0的另一部分來源于電極，固定器和引導線。

 
圖2  石英晶體的等效物理模型，C0包含固定器和引線連接的電容效應

 
圖3  石英晶體共振器的等效電路 

參考時鐘電路設計 
    設計電路時需要考慮的問題主要有：如何讓電路產生振蕩，怎樣維持振蕩，怎樣補償環(huán)境變化引起的誤差。

圖4. 振蕩電路的串聯方式

 
圖5. 振蕩電路的并聯方式

圖6.  從模型到電路的轉化過程

圖7. 在諧振點附近晶體的頻率響應

    壓電效應使產生振蕩成為可能。但是通過圖6的轉化模型不難發(fā)現一次激勵所產生的振蕩很快就會經過阻抗Zl衰減而消失，這就需要增設一個“-Zl”的負電阻來抵消電路中存在的消耗或者說來不斷向振蕩器提供能量，即在圖4和圖5兩種電路形式中所示的放大器。因為自始至終參考時鐘的振蕩電路設計總是設法利用電路的自激振蕩，所以只要通過一個正反饋電路就可以維持電路振蕩在特定的頻點fA，期望的理論效果如圖7所示。 

    為了解決振蕩器的溫度漂移就需要引入溫度傳感器，在這里主要借助熱敏電阻隨溫度變化而改變阻值的特性來組成溫度補償電路，通過改變RC電路的諧振點來調整整個電路使其工作在期望的頻率中心，但是RC電路對頻率的調整方向必須與振蕩器的溫度漂移趨勢相反。
 
    在圖8 中詳細列出了該電路的仿真模型和參數，各部分的功能如圖所示。電路中AFC和Ref_Cal (參考時鐘校準) 的初始化值是用來決定晶體起振頻率中心的缺省值。射頻輸出(RF_Out)和基帶輸出(BB_Out)中間的Buffer主要作用是調整基帶輸出的電平和隔離RF和BB兩邊的相互干擾。溫度補償型TCXVCO就是這個模型的集成電路實現，即參考時鐘的模塊設計。

 

圖8  參考時鐘的仿真電路和模塊說明 

    值得一提的是電路中模塊設置順序并不只局限于圖8所示，變容器和溫度補償電路以及晶體本身三者之間的位置可以根據經驗作調整，例如變容器可以設計在晶體的另外一邊作為反饋電路的一部分，形成不同的應用電路。

參考時鐘的測試和校準 

    對參考時鐘需要測試的參數主要包括：穩(wěn)定時間，諧波幅度，波形占空比，頻率隨溫度的漂移關系，頻率隨系統(tǒng)輸出功率變化的關系，AFC自動頻率控制的線性度，控制器DAC對頻率誤差的響應以及參考時鐘模塊的功耗。
 
    穩(wěn)定時間是指從晶體得電起振直到一定范圍的穩(wěn)定輸出所用的時間，即按照設計指標要求達到指定ppm精度范圍內，它是衡量電路設計成功與否的關鍵參數。測試中除用到通訊綜測儀以外還要用到MDA (Modulation Domain Analyzer), 如Agilent53310A， 在采集頻率信號時必須選用高阻抗的測試頭 (Probe)。對諧波幅度的測試要集中驗證那些落在接收和發(fā)射頻段以及頻率合成器頻段內的頻點。頻率隨溫度的漂移關系和頻率隨系統(tǒng)輸出功率變化的關系主要用來分析頻率的穩(wěn)定性。AFC自動頻率控制的線性度和控制器DAC對頻率誤差的響應雖然測試的物理量相同但是側重點各有不同，前者在于對頻率變化的響應速度，后者則表明對頻率的跟隨和校準能力。參考時鐘模塊的功耗也越來越成為低功耗設備的設計焦點，除了使參考時鐘模塊的功耗本身降低外還需要在系統(tǒng)進入省電模式時利用相對較低的時鐘來取代參考時鐘，使系統(tǒng)能夠有機會隨系統(tǒng)消息處理量來靈活地開關參考時鐘，從而達到節(jié)能的目的。

與參考時鐘相關的問題
 
    參考時鐘的輻射干擾主要對射頻RF的性能影響比較大。眾所周知，處理射頻問題沒有固定的公式，很大程度都要靠經驗積累。參考時鐘作為射頻部分的最核心模塊，有很多問題都與它有著千絲萬縷的聯系，最常見的問題可以歸納為：頻率誤差，網絡同步錯誤，訓練序列丟失，相位誤差，由相位噪聲和頻率誤差引起的靈敏度降低，以及諧波干擾。 

    解決與參考時鐘相關的這類問題主要也最根本的方法是做好參考時鐘在印刷電路板PCB上的布線，如果條件許可最好給這部分電路設計單獨的屏蔽罩。

參考時鐘電路的布線技巧 

    隨著芯片集成度的提高，通過調整電路中的分立器件的數值來調整電路性能的工作量已經大大減少，取而代之的是細致的電路布線工作，射頻工程師的主動權往往取決于布線的好壞。布線之前要慎重考慮器件的擺放位置，積極和結構工程師溝通，且在機構允許的條件下的各種嘗試和討論是必不可少的。 

    布線時對所有走線要站在全局高度作優(yōu)先級規(guī)劃，首先應該優(yōu)先考慮參考時鐘線路。參考時鐘輸出到達器件引腳的路線要盡量短，對長距離時鐘線必要時可以采取兩倍線間距條件作保護地。同層和相鄰層不應該有走線與時鐘線在位置上近距離平行，尤其要妥善處理參考時鐘線路與功放電源線和射頻單元邏輯控制電源線之間的位置。 

    晶體所在位置鋪地時要仔細斟酌，針對參考時鐘分離器件設計和參考時鐘模塊設計在寄生電容和散熱效果之間作折中選擇。實踐證明參考時鐘線路中的寄生電容應該盡量避免和消除；參考時鐘線路接地布線最忌諱的是在未到達主地之前與屏蔽室的地或鎖相環(huán)的地互連，同時盡量避免孤島型地的存在，如果可能就優(yōu)先采取單點直到主地的方法。

生產校準 

    從需要校準的數值來看，參考時鐘的生產校準只需要滿足頻率誤差的要求就可以了。但是在生產校準過程中必須考慮溫度對這一部分電路的影響，按照生產工序的安排需要在校準算法中增加溫度補償系數，而且該系數的統(tǒng)計選取必須涵蓋實際生產操作中回流焊之后到校準開始所享有的溫度恢復時間的變化效應。