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          BAW(體聲波)技術及應用

          2022-12-24 13:42:33 來源:EETOP
          從微控制器單元 (MCU) 到現場可編程門陣列 (FPGA) 的各種設備滲透到我們互聯的世界中。為了正常運行,此類設備需要時鐘來同步它們處理、傳輸和接收的數據。

          體聲波 (BAW) 技術能夠制造出具有可編程頻率的緊湊、精確、可靠的時鐘,無需儲備多個以不同固定頻率運行的晶體。BAW 諧振器在確保移動和物聯網 (IoT) 設備與云計算資源之間的無縫通信方面發揮著關鍵且日益重要的作用。

          基于 MEMS 的諧振器

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          1. 體聲波諧振器包括夾在兩個電極之間的壓電材料。

          體聲波諧振器是一種微機電系統 (MEMS),由夾在兩個電極之間的壓電材料組成(圖 1)。這種材料可以將電能轉化為機械聲能,產生可靠的振蕩,從而實現高頻時鐘輸出。

          比如BAW 諧振器使德州儀器 的 CC2652RB SimpleLink MCU 能夠在沒有外部晶體振蕩器的情況下運行。

          MCU 的集成諧振器在不影響延遲的情況下減少了占據PCB的面積并最大限度地降低了物料清單 (BOM) 成本,并且它在整個工作溫度和工作電壓范圍內提供 ±40 ppm 的頻率穩定性。此外,2.4-GHz 多協議 MCU 提供超低抖動和相位噪聲以滿足各種無線通信標準的時鐘要求。

          TI 還將 BAW 技術集成到其 LMK6C 低抖動、高性能、固定頻率振蕩器中。它在振動、沖擊、溫度穩定性和可靠性方面提供增強的抖動性能和改進的可靠性。

          最重要的是,該技術還用于 TI 的 LMK05318 高性能網絡同步器時鐘設備,該設備提供抖動清除、時鐘生成和高級時鐘監控,以滿足通信基礎設施和工業應用的定時要求。該器件的超低抖動和高電源噪聲抑制 (PSNR) 可以降低貫穿互聯世界的高速串行鏈路中的誤碼率 (BER)。

          BAW 與石英

          新的 BAW 技術與古老的石英晶體振蕩器競爭,石英晶體振蕩器在計時參考市場占據主導地位超過一個世紀。但 BAW 具有顯著優勢:它消耗的功率更少,允許更小的系統設計,并簡化系統集成,同時提供與石英類似或更好的性能。

          與 BAW 實施相比,對石英諧振器的回顧有助于說明它們的一些缺點。圖 2說明了一種實現石英振蕩器的方法——結合石英晶體、振蕩電路和輸出驅動器。

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          2. 一個簡單的石英振蕩器的輸出頻率取決于晶體(紅色)的選擇。

          設置簡單,啟動時間快,但其頻率完全取決于所選晶體——改變頻率需要更換晶體,因此您需要為每個感興趣的頻率儲備不同批次的晶體。此外,這種振蕩器很少在超過大約 50 MHz 的基頻下工作,因為更高頻率的晶體難以制造。

          圖 3中所示的方法克服了其中的一些缺點。在這里,晶體用作鎖相環 (PLL) 的參考,它可以產生G赫茲范圍內的頻率。小數輸出分頻器可通過內部集成電路 (2 C)接口進行編程,編程信息存儲在電可擦可編程只讀存儲器 (EEPROM) 中,生成所需的頻率。

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          3. 小數輸出分頻器可對輸出頻率進行編程。

          然而,這種方法比圖 2中的方法需要更多的核心塊,從而導致更大的封裝尺寸和更高的功耗。此外,啟動時間很慢,因為 PLL 需要 10 ms 或更長的時間來校準和鎖定。

          圖 4顯示了一個帶有集成 BAW 諧振器的振蕩器,該諧振器取代了外部晶體。與圖 3的電路一樣,小數輸出分頻器根據存儲在存儲器中的編程值生成所需的頻率。TI可以采用四引腳或六引腳封裝(分別用于單端和差分輸出)制造此類設備。

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          4. 具有單端輸出的 BAW 振蕩器適合四引腳工業標準封裝。

          每個這樣的設備都將其電路集成在采用深亞微米工藝技術設計的基礎芯片上。位于同一位置的傳感器持續監控溫度變化,信號處理算法使用存儲在非易失性存儲器中的校準系數將頻率保持在 ±10 ppm 預算范圍內。低抖動低功耗小數輸出分頻器可實現溫度補償,同時對相位抖動的影響極小。除了溫度穩定性外,該器件還提供良好的相位噪聲性能,差分輸出版本將抖動限制在 125 fs。

          基于 BAW 的設備包括內部低壓差穩壓器 (LDO),以提供改進的 PSNR。它還符合 MIL-STD-2007 Condition A 和 MIL-STD-2002 Condition A 對沖擊和振動的要求,振動引起的頻率偏差限制在 1 ppb/g 左右。與石英振蕩器相比,這幾乎是一個數量級的改進。

          FPGA 的時鐘生成

          FPGA 設計通常需要靈活的高性能振蕩器或時鐘發生器 IC 來提供一個或多個時鐘輸入。FPGA 的串行器/解串器 (SERDES) 收發器通常依賴具有低集成均方根 (RMS) 抖動的外部參考時鐘來最大限度地減少收發器位錯誤。BAW 諧振器可以輕松生成 FPGA 設計所需的頻率。

          對于需要從串行數據流中恢復時鐘信號的應用,串行可編程諧振器可以用作基于 FPGA 的時鐘數據恢復 (CDR) 電路中的數控振蕩器。

          如圖 5所示,FPGA 邏輯實現了數字鑒相器和數字環路濾波器。后者通過2 C接口將控制字寫入可編程振蕩器寄存器。然后振蕩器根據這個環路濾波器控制字調整它的輸出頻率。跟蹤恢復時鐘所需的頻率調整通常以百萬分之一來衡量(例如,小于標稱值的 ±50 ppm)。

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          5.數控可編程振蕩器服務于FPGA中實現的CDR電路。

          結論

          BAW 諧振器提供了擴展應用的靈活性,從包含 MCU 的物聯網邊緣設備到采用 FPGA 的高性能系統。帶有串行編程接口和板載 EEPROM 的版本提供了支持多種頻率和簡化整個產品生命周期的靈活性。與基于石英晶體的諧振器相比,體聲波諧振器將高性能、可靠性和可用性與較短的交貨時間和簡化的供應鏈管理相結合。

          原文

          https://www.electronicdesign.com/tools/learning-resources/whitepaper/21256004/texas-instruments-the-connected-world-marches-to-the-beat-of-baw-technology

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