探索GPS模块应用的TCXO温补晶振微型工艺
　　关于TCXO晶振大家都不陌生,这是一种现在比较常用的频率控制元器件,使用较多的频率主要有10.000MHz,16.368MHz,19.200MHz,26.000MHz,32.000MHz,52.000MHz等.基本上从事石英频率元件的厂家,都会生产温度补偿型晶体振荡器,一来是因为其需求量大,而且制造并不复杂,利润也相对较高.目前市场上最小体积的TCXO振荡器是1612mm的,接下来我们看看,这些年,温补晶振尺寸和工艺的发展过程.
　　温度补偿晶体振荡器(TCXO)广泛用于移动通信系统,例如个人导航设备(PND)和手机.最近,可穿戴设备强烈要求其内部的电子组件更小,更薄.此外,GPS/GNSS应用还需要考虑近相噪声和整体频率稳定性.因此,本文证明了采用H型封装的超小型TCXO可以满足此类要求.
　　TCXO温补振荡器由于其频率稳定性和低成本而继续在频率控制应用中广泛使用.在本文中,我们首先回顾了TCXO的技术趋势以及将TCXO用作GPS接收机的主要定时参考的一些要求.然后,我们描述TCXO的微型尺寸以满足出色性能的设计考虑.还介绍了实现生产率的包装设计的独特模式.而且,外观及其电气性能最终将被绝缘.
TCXO的技术趋势:
　　常规的模拟TCXO采用带有多个无源元件的电阻热敏电阻网络来实现,并且由于热敏电阻不适合集成而难以减小尺寸.2001年,AKM(旭化成微器件公司)推出了用于手机和其他应用的完全集成的CMOS模拟TCXO IC.它采用1.0um-CMOS工艺设计,带有嵌入式EEPROM,在-30~85℃的温度下稳定性优于+/-2.5ppm,芯片面积仅为2.38x1.93mm2.
　　这项工作开始驱使晶体振荡器制造商不断缩小TCXO模块的设计尺寸.如今,使用110nm-CMOS工艺可将TCXO IC芯片面积减小至小于1x1mm2,具有16x1.2mm TCXO模块的晶振温度稳定性在-30~85℃时优于+/-0.5ppm流行.尽管1.6x1.2mmTCXO适合大多数商业应用,但市场仍在寻求可穿戴设备的更小尺寸.我们探究了过去20年TCXO模块的小型化趋势,表1显示面积已从7.0×5.0mm显着减小到1.2×1.0mm,由于尺寸的原因,小型化率约为1/30.先进的TCXO IC设计.

表1.TCXO相对面积指数

年份	尺寸(mm)	长*宽(mm)	相对面积指数
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设计和实现对于TCXO模块也是一个巨大的挑战,晶体振荡器制造商通常采用斜角石英芯片将振动能量捕获在中心区域,以减小串联效应(ESR).以满足TCXO IC提供的负电阻(-R)的能力.我们还在图1中绘制了TCXO的小型化趋势.我们推断,由于微小的石英晶体的设计挑战和陶瓷封装的加工能力,未来的小型化率将略有下降.

图1.TCXO模块的小型化趋势

TCXO-GPS应用的设计注意事项:
　　就在2004年,PLGR(精密轻型GPS接收器)是美国军方最广泛使用的接收器,通常价格约为2,000美元.就目前而言,许多移动设备都具有GPS,该GPS可以获取的卫星水平是PLGR的100倍,仅需要增加不到5美元的移动设备成本即可.具有竞争力的成本使具有内置GPS功能的移动设备在全球范围内不断上升,并且也推动了对具有高稳定性能以进行精确定位的微型TCXO的需求.
　　图2说明了标准的GPS接收器架构[2].在RF前端,它包括放大器,滤波器和A-D转换器.天线接收GPS信号和卫星产生的噪声,然后RF前端通过混频器,滤波器和A-D转换器将RF信号从RF传输到IF(中频).根据接收机设计,中频通常在2-20MHz的范围内.
　　在基带阶段,IF至基带混频器去除载波频率,并保留由卫星生成的原始二进制代码.校正器将噪声信号乘以PRN码的副本,乘积由积分器求和.因此,我们可以找到所有可能的代码交易的所有积分的总和,并在校正器与输入信号正确对齐后看到特征三角形校正峰.NCO(数控振荡器)的正确频率是获得强校正峰的关键,其性能将由本地振荡器支配.为了在微弱的信号采集过程中保持足够的校正峰值水平,本地石英晶体振荡器(在消费类GPS中通常为TCXO)的频率精度和稳定性是获得出色GPS/GNSS性能的最关键因素之一.

图2.带有RF前端,基带部分和本地振荡器的标准GPS接收器架构

　　在表2中,选择TCXO时应考虑几个性能参数.由于搜索窗口的算法以及GPS接收机中TTFF(首次定位时间)的要求,TCXO需要在整个温度范围内具有±2.0ppm和±0.5ppm的频率不确定性,以确保能够检测到GPS信号.同时,时域时钟稳定性(即漂移率,rAVAR)和相位噪声也会影响GPS接收机检测GPS信号的能力.较差的时钟稳定性将导致较差的灵敏度和较大的位置误差.此外,如果GPS接收器面对TCXO频率的急剧变化,则卫星信号可能会丢失,并且位置信息也会丢失.

表2.关键TCXO参数与GPS性能

#	TCXO晶振参数	要求	GPS影响
1	初始频率公差	±2ppm	时间到
2	频率与温度(-30至85℃)	±0.5ppm	第一次修复
3	老化	<1ppm/yr
4	短期稳定性(rAVAR)	<1ppb	信号微弱
5	频率漂移率	<5ppb/s	获得
6	相位噪声(例如52兆赫) 10Hz偏移时 100Hz偏移时 1KHz偏移时 10KHz偏移时 100KHz偏移时 1MHz偏移时	-74dBc/Hz -99dBc/Hz -124dBc/Hz -134dBc/Hz -141dBc/Hz -141dBc/Hz
7	频率斜率与温度的关系	±0.1ppm/℃	卫星信号错过

　　模拟TCXO的标准框图如图3所示.在校准过程之前,VCXO(电压控制晶体振荡器)的频率在25℃时约为+/-15ppm,通常在+/-10ppm的范围内.工作温度.经过补偿网络后,将电压施加到VCXO中的变容二极管.电容变化补偿了晶体的fvs.T特性,为+/-0.5ppm(-30~85℃).

图3.模拟TCXO的标准框图

　　电压发生器是将合适的电压施加到VCXO晶振上以在TCXO中实现出色的频率稳定性和温度稳定性的关键电路.所需V-T曲线的基本概念通常可以表示为三次方程式.
(1)
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　　其中A3和A1是极限温度和线性温度区域的系数,T0是参考温度,A0是直流偏移.通过适当的补偿方案,可以计算出最适合T0,A3,A1和A0的系数.将相应的系数数据写入TCXO IC的寄存器后,可以通过腔室温度扫描来验证频率稳定性.如上所述,TCXO的短期稳定性是获得出色GPS性能的另一个关键.与等式中一样,通常通过使用根艾伦方差(rAVAR)[3]进行时域分析来判断.
(2)
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　　其中f0是标称频率(Hz),N是频率数据点,fi是第i个频率测量值(Hz),τ是计数器的门控时间(秒)分别显示判断根数是否正确的示例艾伦方差在图4和图5中供设计参考.

图4.具有适当根艾伦方差的TCXO(rAVAR<1ppb,Tau=1sec)

图5.根艾伦方差不正确的TCXO(rAVAR>5ppb,Tau=1sec)

　　图6说明了具有H型封装结构的TCXO.封装的横截面类似于字母H,在上腔中安装有密封AT切割石英谐振器,在下腔中安装有IC芯片.不合格的石英晶体谐振器可以在倒装芯片组装之前进行检查和剔除.

图6.具有H型封装结构的TCXO

　　对于这样的小型设备,在制造过程中对晶体进行电学检查也是一个极大的挑战.为了最大化晶体的检查面积,我们在下腔中提出了独特的图案设计(绿色区域),以实现图7所示的生产率.

图7.传统包装设计(左)与1210包装中的新设计(右)的比较

　　我们完成了频率为52MHz的1.2x1.0x0.5mmTCXO,电源电压从1.68V至3.45V,输出是限幅正弦波,功耗为1.0Vp-p和1.7mA.在1Hz偏移下,典型的近相噪声约为-60dBc/Hz,在-30~85℃范围内,频率稳定性可以满足+/-0.5ppm,rAVAR小于0.5ppb即可满足GPS要求.

图8.2520尺寸的主流产品(左)与1210尺寸的新产品(右)的比较

图9.具有1.0Vp-p的TCXO限幅正弦波输出

　　在本文中,我们演示了采用密封AT切割石英谐振器的1.2x1.0mm-TCXO的首次实现.所提供的测量数据通过使用该温补振荡器来实现GPS/GNSS接收器应用的出色频率稳定性和相位噪声,验证了可行性.微型作品展示了减少可穿戴设备占地面积设计的潜力.用于改善电流消耗的优化解决方案是下一个挑战.
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