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MEMS时钟振荡器在射频系统中的应用

时钟作为频率合成锁相环的参考信号源,广泛应用于各种射频系统的本地振荡器、时钟发生电路和通信同步电路(见图1)。

图1:时钟振荡器在射频系统中的应用

本地振荡器通过锁相环路倍频,产生射频混频电路所需要的本振驱动信号。参考时钟振荡器的频率准确度和稳定度决定了本振信号和射频收发器工作频率的准确度和稳定度。对频率精度要求不高的射频系统使用射频芯片内置振荡器电路与外接石英晶体谐振器组成参考时钟振荡器,这可以达到10-4~10-5的频率精度。对频率误差和环境稳定性要求更高的射频通信系统需要独立的温补振荡器(TCXO)或频率可以微调的牵引温补振荡器(VC-TCXO)来达到10-6~10-7精度等级。恒温振荡器(OCXO)隔离了外部温度对振荡器的影响,使频率精度达到了10-8~10-9,能满足无线基站和高容量光纤传输网络节点的时间和频率基准要求。

射频系统的时钟发生电路可提供数模和模数转换电路的取样时钟、基带数字信号处理器时钟、串行数据和时钟恢复电路的本地时钟。作为时钟发生电路的参考源,时钟振荡器的相位噪声和抖动性能,对模数信号转换的信噪比和数据传输误码率和恢复时钟的抖动都有重要影响。

射频系统的通信同步和抖动清除电路也是时钟振荡器的重要应用。经过无线或有线信号传输和时钟恢复过程,受信道噪声的影响,系统时钟的相位噪声和抖动会增加。抖动清除电路应用窄带锁相环路和具有低相位噪声特性的牵引振荡器(VCXO)对系统时钟相位噪声进行过滤,可获得低抖动的时钟输出。

全硅MEMS时钟振荡器的频率稳定性和相位噪声性能在最近几年取得了突破性的进展。MEMS振荡器也展现了优异的环境稳定性(全温度、冲击、振动、电磁干扰、电源噪声)和器件可靠性。 在架构上,全硅MEMS时钟振荡器结合了固定频率的MEMS谐振器和提供温度补偿和频率合成功能的、具有高分辨率的、分数N锁相环电路。基于这一架构已经开发出各种不同类别的时钟振荡器—从单端和差分信号输出的标准振荡器、TCXO、VC-TCXO、VCXO到数字控制振荡器()。

本文介绍基于MEMS的DCXO和传统牵引振荡器在抖动清除和通信同步锁相环路应用中的比较。并以实例说明如何应用高性能DCXO和FPGA来设计一个简洁的、全数字化的抖动清除锁相环电路。

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