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MEMS時鐘振蕩器在射頻系統中的應用
引言: 結合了MEMS和高分辨率鎖相環電路的DCXO，能支持zui小量化噪聲設計的高速數字鎖相環路和不受頻率牽引范圍影響的相位噪聲，適合于應用到各種射頻和通信系統中。
時鐘振蕩器和射頻系統
時鐘振蕩器作為頻率合成鎖相環的參考信號源，廣泛應用于各種射頻系統的本地振蕩器、時鐘發生電路和通信同步電路(見圖1)。
本地振蕩器通過鎖相環路倍頻，產生射頻混頻電路所需要的本振驅動信號。參考時鐘振蕩器的頻率準確度和穩定度決定了本振信號和射頻收發器工作頻率的準確度和穩定度。對頻率精度要求不高的射頻系統使用射頻芯片內置振蕩器電路與外接石英晶體諧振器組成參考時鐘振蕩器，這可以達到10-4~10-5的頻率精度。對頻率誤差和環境穩定性要求更高的射頻通信系統需要獨立的溫補振蕩器(TCXO)或頻率可以微調的牽引溫補振蕩器(VC-TCXO)來達到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，使頻率精度達到了10-8~10-9，能滿足無線基站和高容量光纖傳輸網絡節點的時間和頻率基準要求。
射頻系統的時鐘發生電路可提供數模和模數轉換電路的取樣時鐘、基帶數字信號處理器時鐘、串行數據和時鐘恢復電路的本地時鐘。作為時鐘發生電路的參考源，時鐘振蕩器的相位噪聲和抖動性能，對模數信號轉換的信噪比和數據傳輸誤碼率和恢復時鐘的抖動都有重要影響。
射頻系統的通信同步和抖動清除電路也是時鐘振蕩器的重要應用。經過無線或有線信號傳輸和時鐘恢復過程，受信道噪聲的影響，系統時鐘的相位噪聲和抖動會增加。抖動清除電路應用窄帶鎖相環路和具有低相位噪聲特性的牽引振蕩器(VCXO)對系統時鐘相位噪聲進行過濾，可獲得低抖動的時鐘輸出。
全硅MEMS時鐘振蕩器的頻率穩定性和相位噪聲性能在zui近幾年取得了突破性的進展。MEMS振蕩器也展現了優異的環境穩定性(全溫度、沖擊、振動、電磁干擾、電源噪聲)和器件可靠性。 在架構上，全硅MEMS時鐘振蕩器結合了固定頻率的MEMS諧振器和提供溫度補償和頻率合成功能的、具有高分辨率的、分數N鎖相環電路。基于這一架構已經開發出各種不同類別的時鐘振蕩器—從單端和差分信號輸出的標準振蕩器、TCXO、VC-TCXO、VCXO到數字控制振蕩器(DCXO)。
本文介紹基于MEMS的DCXO和傳統牽引振蕩器在抖動清除和通信同步鎖相環路應用中的比較。并以實例說明如何應用高性能DCXO和FPGA來設計一個簡潔的、全數字化的抖動清除鎖相環電路。
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調整頻率來實現頻率控制。直接牽引頻率的VCXO用調整變容二極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直接牽引頻率調整可以保持低相位噪聲，但牽引范圍被限制在約±200ppm。當系統應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，用戶更傾向于選擇基于鎖相環的MEMS控制振蕩器架構，因為它們可以提供高達±1600ppm的牽引范圍。
基于鎖相環的MEMS VCXO內部電路包括一個模數轉換器，將輸入電壓轉換成數字信號，并驅動一個分數N鎖相環來調節輸出頻率。該架構在牽引范圍和VCO增益(Kv)的線性度都優于直接牽引方式。基于變容二極管的VCXO的VCO增益線性度僅為10％，而鎖相環頻率牽引的線性度可以達到0.1% 至1.0%。良好的線性度使得鎖相環路設計簡化并在整個工作范圍內更加穩定。
然而，增加鎖相環VCXO牽引范圍通常會增加振蕩器輸出的相位噪聲，這是設計人員不愿意增加牽引范圍的一個原因。DCXO可以解決這個問題。DCXO可以接收數字化的頻率牽引信號，并直接驅動DCXO內部全數字化的鎖相環反饋分頻器及調制器，不需要經過模數轉換器，從而清除了近載波相位噪聲的一個來源。
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，并具有優于1%非常線性的增益響應，這可與的VCXO相媲美。DCXO提供許多可編程參數，因此，設計人員可以有更多Kv、輸出頻率、牽引范圍參數的選擇。
DCXO參數的選擇
DCXO在實際運行環境下可用的頻率牽引范圍(APR)是由振蕩器電路的牽引范圍，頻率穩定性和長期老化特性所決定的。例如，一個±150ppm牽引范圍，頻率穩定性±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。在滿足系統規格前提下，設計人員可能需要考慮在所需振蕩器穩定性和器件成本之間的權衡。