参考时钟概述

在通讯手持设备当中，参考时钟的贡献就像心脏对人体的作用一样，丝毫的差异都将导致系统功能的紊乱。之所以定义它为参考，是因为这类产品能否正常工作完全依赖于该时钟的精确度；而且一旦有误差存在，该误差就会随着倍频的增加而介入应用端的工作频段，无论是基带的数字和模拟部分还是射频的上变频和下变频都会受到影响。通常参考时钟所采用的中心频点都在10MHz~30MHz，而且目前大多数都采用13MHz，20MHz，或26MHz，尤其是当射频和基带共用参考时钟时以13MHz和26MHz最多。

为什么要采用13MHz和26MHz作为参考时钟呢？客观上对射频RF而言，目前手持设备话务通信的频率资源主要集中在以1GHz和2GHz为中心的频率范围，从抗干扰和谐波抑制角度就要求参考时钟的倍频尽量少地落在这些频段所涉及的中频和高频范围里。另一个客观原因是用来产生频率的石英晶体的物理特性决定了参考时钟的选取范围。此外，主观看来这些频点接近高频和低频的模糊范围，对基于参考时钟频率的其它频率的产生相对容易。值得一提的是，目前从功耗的角度也验证了使用这个范围的频率作参考时钟是折中的选择。

石英晶体振荡电路

石英晶体的物理特性

前面提到参考时钟的重要性，要产生这样精确的频率其基本元件的选择就至关重要。经过近一个多世纪的工业经验积累，石英晶体最终成为最理想的振源器件。石英晶体最早使用在手表上，它的成份主要是SiO2，由单晶生长而成，晶格排列整齐，是很好的压电材料。目前人造单晶石英晶体的使用每年3000吨以上，其使用规模仅次于硅。采用石英晶体主要是因为它的物理特性符合参考时钟的要求，而且石英晶体是目前唯一拥有以下特性的材料：

·具有压电效应；
·可以应力补偿和零温度系数切割；
·低损耗且具有高品质因数Q；
·制作工艺简单，硬而不脆，对除氟化物和高碱性以外的条件不敏感；
·自然界中贮量丰富，可以生长为多晶体，纯度容易控制。

压电效应

压电效应是在1880年Jacques和PierreCurie发现的，是应用于传感和控制学科的最重要的物理效应之一。在外加应力时，一些特殊结构的晶体可以产生电压差，反过来，在外电场的作用下，该晶体可以产生弹性形变。压电效应是把应力互换为电信号的重要物理过程，如图1所示。



图1.压电效应原理

振动的变化率就是我们关心的频率，它决定于振源晶体切割的方位，大小和形状以及磨光程度，最终中心频率的调整和确定是通过在晶体表面镀一层原子级厚度的金来实现振动稳定。

石英晶体振荡电路的等效模型

石英晶体的物理常数决定了等效电路图2和图3中所示的C0，C1(MotionalCapacitor)，L1(Mass)和R1(BulkLoss)，其中C0的另一部分来源于电极，固定器和引导线。



图2石英晶体的等效物理模型，C0包含固定器和引线连接的电容效应


图3石英晶体共振器的等效电路

参考时钟电路设计
设计电路时需要考虑的问题主要有：如何让电路产生振荡，怎样维持振荡，怎样补偿环境变化引起的误差。



图4.振荡电路的串联方式


图5.振荡电路的并联方式


图6.从模型到电路的转化过程


图7.在谐振点附近晶体的频率响应

压电效应使产生振荡成为可能。但是通过图6的转化模型不难发现一次激励所产生的振荡很快就会经过阻抗Zl衰减而消失，这就需要增设一个“-Zl”的负电阻来抵消电路中存在的消耗或者说来不断向振荡器提供能量，即在图4和图5两种电路形式中所示的放大器。因为自始至终参考时钟的振荡电路设计总是设法利用电路的自激振荡，所以只要通过一个正反馈电路就可以维持电路振荡在特定的频点fA，期望的理论效果如图7所示。

为了解决振荡器的温度漂移就需要引入温度传感器，在这里主要借助热敏电阻随温度变化而改变阻值的特性来组成温度补偿电路，通过改变RC电路的谐振点来调整整个电路使其工作在期望的频率中心，但是RC电路对频率的调整方向必须与振荡器的温度漂移趋势相反。

在图8中详细列出了该电路的仿真模型和参数，各部分的功能如图所示。电路中AFC和Ref_Cal(参考时钟校准)的初始化值是用来决定晶体起振频率中心的缺省值。射频输出(RF_Out)和基带输出(BB_Out)中间的Buffer主要作用是调整基带输出的电平和隔离RF和BB两边的相互干扰。温度补偿型TCXVCO就是这个模型的集成电路实现，即参考时钟的模块设计。



图8参考时钟的仿真电路和模块说明

值得一提的是电路中模块设置顺序并不只局限于图8所示，变容器和温度补偿电路以及晶体本身三者之间的位置可以根据经验作调整，例如变容器可以设计在晶体的另外一边作为反馈电路的一部分，形成不同的应用电路。

参考时钟的测试和校准

对参考时钟需要测试的参数主要包括：稳定时间，谐波幅度，波形占空比