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VC-TCXO到DCXO


在 GSM/GPRS基准振荡器接口中,收发器的时间与外部的晶体振荡器同步,并为基带提供了系统时钟。多年来,把振荡频率维持在所需要的频率,一直以来都是通过电压控制温度补偿振荡器(VC-TCXO)组件来实现的。然而,在时钟接口电路中,随着大量手机现在使用包含电压控制晶体振荡器(VCXO)的收发器或者使用包含全数字控制晶体振荡器的收发器,人们在继续转到用这种成本更低、体积更小的方案。
人们需要了解使用VC-TCXO组件、VCXO组件或 DCXO组件等方案的优点,以及它们之间的细微差别(这些差别经常会严重影响系统)。每个方案在材料成本(BOM)、外部器件,以及设计和生产上的难易程度方面都有所不同。此外,市场上竞争力最强的手机将利用最新研制出来的数字自动频率控制(AFC)技术,提高灵活性或者待机时间。把握住基准振荡器接口的发展趋势,既有利于现在的EDGE手机的发展,也有利于将来W-CDMA和双模式系统的开发。
VC-TCXO组件中纳入了温度补偿电路,它通常都会包含一个使用热敏电阻器的简单控制环路(图1)。在热敏电阻器网络中,内部的一只变容二极管加上偏压,使得晶体的负载电容为合适的数值,让它维持所需要的振荡频率。加在二极管上的偏压大小根据温度进行调整。VC-TCXO使用来自基带电路的AFC调节电压来精确地控制二极管,对频率误差进行补偿。为了确保达到所规定的精度,组件里的元件通常在生产中经过调整,以补偿晶体独有的静态误差。内部的器件、生产和测试步骤,都会大量地增加组件的成本。此外,往往使用低压差线性稳压器(LDO)来稳定供电电压。

图1 VC-TCXO结构中加入了温度补偿电路,它包含一个使用热敏电阻器电路的控制环路。

集成型VCXO 或 DCXO的功能与VC-TCXO不同,它们是通过改变晶体上的负载电容来调节或者“牵引”外部晶体的频率。VCXO是使用标准的AT切割晶体、变容二极管和电容器来取代VC-TCXO,而集成型DCXO电路是把除了晶体之外所有外部元件都集成起来,从而降低材料成本。这个集成的概念由来已久,它在产量很高的产品上取得了成功,但是仅仅局限于部分收发器供应商使用(图2)。这是因为电路必须能够同时补偿频率的静态误差和动态误差,同时连续地按一定的增量来调节频率,只有这样,最终的频率的误差才能达到0.1ppm或者更低。

图2 VCXO在电路中取代了包含AT切割晶体、变容二极管和电容器的VC-TCXO,集成型DCXO电路把除了晶体之外的所有外部器件都整合在一起,从而降低了材料成本。

集成电路必须处理的第一种误差是静态误差,在晶体的使用期内它是固定不变的,必须在生产中的校准工序上进行调整。导致误差的原因通常是因为在切割晶体时的制造公差造成的。使用VCXO和DCXO的收发器中都集成了可编程电容器阵列,用它补偿这种静态误差。因此,校准工作是在生产测试阶段进行,把原有的频偏去掉。然后把一个和电容总量相等值存放在电话的闪存存储器中,并且当打开电源时,把它重新写入。
比较难补偿的是随着时间而变化的动态频率误差。随着温度的变化,AT切割石英晶体的频率偏差呈S形曲线,在低于常温时偏移量是正的,高于常温时偏移量是负的。晶体的供应商规定,频率的动态容差作为相对于温度变化范围的温度偏移或者频率容差。产生频率动态误差的另一个原因是晶体的老化而产生的缓慢偏移。在最初使用的几个月里,晶体老化而导致的偏移通常是正的,然后就缓慢地朝相反方向偏移。
为了补偿动态漂移,GSM系统结合了一种闭环控制算法,将晶体频率调整到与基站频率一致。这一工作由基站通过频率控制通道(FCCH)的发射频率控制脉冲(FCB)来完成。手机接收FCB,基带控制器计算频率误差,并且用一个数字模拟转换器(DAC)来调整频率。 然后DAC输出一个模拟电压,用它来调整VC-TCXO组件,也可以用于VCXO 和 DCXO。
处理与温度相关的频率误差的能力,是区分基准振荡器集成之所在。由于VC-TCXO组件中纳入了热阻网络,而且与温度有相关的频率容差是很严的,用集成的办法时,必须解决受动态影响较大的频率偏差,而帮助解决这个问题的是速度很慢的控制运算。为了补偿温度偏移,可以用一只变容二极管或者加入变容二极管的功能,并且按照AFC电压改变加上在晶体上电容量。但是,这种功能并不是无足轻重的。电路仍然会因为温度、电压和半导体工艺的不同而不同。
为了在市场上取得成功,一项设计还必须适应不同的晶体的供应商,他们的晶体的负载电容以及频率牵引灵敏度是不同的,因为手机设计和产品的公差,他们的电路板的设计会有所不同,它也必须可靠耐用,以便装到电路板上,并且要适应现有基带AFC 运算的调节范围和调节精度。正是因为这个原因,VCXO中可以把电路集成进去,以解决动态误差的问题,但是这些电路仍然需要一只外部的二极管,往往是使用电容负载网络。从减少材料成本的角度看,这很值得注意的。它对设计和生产也很重要,因为二极管是非线性的,而且有自己的温度系数,可能需要根据斜率或者增益响应来对温度和变化进行校准。
为了适应这些系统的挑战,DCXO不仅仅把变容二极管集成进来,而且集成了系统所需要的基带、收发器和包含数字控制的粗调和精调电容器阵列的晶体。为了对温度变化和晶体老化偏移作出快速响应,按照内部的信号源和AFC电压,用精密数字校正的方法,连续地改变一个精调电容器阵列,保留手机制造商装进去的软件。DCXO电路也要有较大的、严格控制的电容调节范围,以确保能够和多个供应商的晶体是兼容的,同时能解决印刷电路板寄生参数的问题。电路板上的电路把输入调节到适应不同的AFC电压范围。最后,DCXO使用它内部自我调节功能精确地模拟变容二极管的行为,就不会感觉到系统固有的变化了。
知道了上面的这些,就可以明白收发器和手机的发展趋势了。这种趋势包括参考频率本身。上一代的收发器使用13MHz或者 26MHz的时钟,但是新的单片收发器只能使用26MHz的时钟。之所以是这样,是由于在晶体牵引灵敏度方面有了改善,放宽了晶体的选择,尺寸也更小了。 13MHz的VC-TCXO组件和晶体的尺寸一般为3mm×5mm(VC-TCXO LDO又占用了一些空间)。现在的26MHz晶体的尺寸通常是3.2mm×2.5mm,成本并没有明显的增加(2.5mm×2mm晶体在研制之中)。尺寸为3.2mm×2.5mm的VC-TCXO组件,市场上有现货,但它的价钱显著地上涨了。
市场上还有一股显而易见的力量,那就是VC-TCXO元件的一再短缺。由于集成技术, VCXO和DCXO解决方案──DCXO是最绝缘的方案──对电源问题不再那么敏感。至于EDGE,它的无线电接收装置包括具有极性装置的 VCXO 收发器,可能有70个元件,占用电路板面积为5.4cm2,而且由于另外增加了变容二极管校准,当使用集成DCXO的线性EDGE传输收发器时,这部分的费用相当于少用了35%的元件,并且节约了电路板25%的空间。EDGE作为GSM手机中新增加的功能,然而,由于用了新的技术和真正的DCXO集成方案,材料成本达到了最低水平,缩短了产品上市的时间,也把设计师从系统级噪音、绝缘和不必要的产品校准问题中解放了出来。
由于有了数字AFC,新型DCXO收发器的设计进一步简化,于是,基带可以通过串行编程接口(SPI)直接把AFC信息写入到收发器中。这样就消除了电路板上的走线,不需要由基带DAC为AFC提供电压。因此,可以把DAC用到其他的功能上去,例如全球定位系统或者蓝牙技术。或者,设计师也可以不用DAC,这样能够节省大约 2mA电流。
对于3G系统而言,参考频率有15.36MHz、38.4MHz、19.2MHz和 26MHz四种。时钟速度是WCDMA芯片速度(3.84MHz)的和通道扫瞄速度(200kHz)的整倍数,由于19.2MHz参考频率是这两者的整倍数,因此,深受欢迎。对于具有EDGE功能的双模式解决方案来说,26MHz的参考频率能够保护过去的投资,而19.2MHz也可以作为GSM 合成器的参考频率,这是因为通道扫瞄速度同样是200KHz。将来,双模式系统唯一的不便之处在于从19.2MHz产生GSM的符号速度时钟(或者它的整倍数),或者倒过来从26MHz产生WCDMA芯片速度时钟(或者它的整倍数)。


 
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相关评论

评论人:02011-12-27
图看不到的,请问能发给我吗?

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