最近2004年,PLGR(精密輕巧GPS接收機)是美國軍方使用最廣泛的接收機,通常花費約2,000美元.目前,許多移動設備的GPS可以獲得衛星水平比PLGR100倍,只需要增加不到5美元的移動設備的成本.競爭成本使內置GPS功能的移動設備在全球范圍內不斷上升,也推動了對小型TCXOs的需求,具有高精度定位的高穩定性性能.

圖2說明了標準的GPS接收機架構[2].在射頻前端,它包括放大器,濾波器和A-D轉換器.天線接收到衛星產生的GPS信號和噪聲,射頻前端通過混頻器,濾波器和A-D轉換器將射頻信號從射頻傳輸到中頻.基于接收機設計的IF通常在2-20MHz范圍內.

在基帶階段,中頻到基帶混頻器去除載波頻率并保留由衛星生成的原始二進制碼.校正器通過PRN代碼的副本將噪聲信號相乘,乘值由積分器求和.因此,我們可以找到所有可能的代碼解析器的所有積分的總結結果,并看到特征三角校正峰值,一旦校正器正確地與傳入信號對齊.NCO(數控振蕩器)的正確頻率是獲得強校正峰的關鍵,其性能將由本振控制.為了保持

在微弱信號采集過程中,本振(通常是消費GPS中的TCXO)的足夠的校正峰值水平頻率精度和穩定性是影響GPS/GNSS性能的關鍵因素之一.

圖2.帶射頻前端的標準GPS接收機架構端,基帶部分和本地振蕩器

在表2中,有幾個性能參數應考慮TCXO的選擇.由于GPS接收機的搜索窗口算法和TTFF(首次修正時間)的要求,TCXO需要具有±2的頻率不確定性.0ppm和±0.5ppm過溫保證GPS信號可以檢測到.同時,時域時鐘穩定性(即漂移速率,rAVAR)和相位噪聲也會影響GPS接收機檢測GPS信號的能力.時鐘穩定性差會導致靈敏度差和位置誤差大.此外,如果GPS接收機面臨TCXO頻率突然變化,衛星信號可能會被錯過,位置信息也會被丟棄.

表2.關鍵TCXO參數與GPS性能

圖3顯示了模擬TCXO的標準框圖.在校準過程之前,VCXO(壓控晶體振蕩器)頻率為25.℃ 是大約/-15ppm,額外的/-10ppm(通常)在工作溫度.補償網絡后,電壓將應用于VCXO中的變流器.電容變化補償晶體的fvs.T特性as/-0.5ppm(-30~85℃).

圖3.模擬TCXO的標準框圖

電壓發生器是將合適的電壓應用于VCXO的關鍵電路,在TCXO中實現頻率穩定性和溫度的優異性能.所需V-T曲線的基本概念通常可以表示為Eq中的三次函數.

哪里A3和A1是極端和線性溫度區域的系數,T0是參考溫度和A0是DC偏移.

經過適當的補償方案,最適合的系數為T0,A3,A1,和A0可以計算.將相應的系數數據寫入TCXOIC寄存器后,通過室內溫度掃描,可以驗證頻率的穩定性.TCXO的短期穩定性是實現上述優良GPS性能的另一個關鍵.它主要是通過使用根Allan方差(rAVAR)[3]的時域分析作為情商判斷.

哪里F0是標稱頻率(Hz),和是頻率數據點,F我是我-th頻率測量值(Hz),

τ是計數器的門時間(秒)

判斷正確/不正確根Allan方差的示例分別顯示在圖4和圖5中,以供設計參考.

圖 4.具有適當根Allan方差的TCXO(RAVAR <1ppb,Tau = 1sec)

圖5.不正確根Allan方差的TCXO

圖6展示了具有H型封裝結構的TCXO.該封裝的截面與字母H類似,在上腔安裝了一個密封的切割石英諧振器,在下腔安裝了一個IC芯片.在倒裝芯片組裝過程之前,可以檢查和拒絕不合格的晶體.

圖 6.具有H型封裝結構的TCXO

在制造過程中,晶體的電氣檢測也是這種微小的設備的一個非常挑戰.為了最大限度地提高晶體的檢測面積,我們提出了獨特的圖案設計(綠色區域)在較低的腔實現生產力在圖7

圖7.常規封裝設計(左)和1210 包中的新設計 (右)

結果

我們完成了1.2×1.0×0.5mmTCXO與52MHz的頻率,電源電壓從1.68V到3.45V,輸出剪裁sinewave與1.0Vp-p和1.7毫安電流消耗.典型的近相噪聲在1Hz偏移下約為-60Hz/Hz,頻率穩定性可滿足-30~85以上/-0.5ppm℃,RAVAR小于0.5ppb滿足GPS要求

圖8.2520尺寸的主流產品(左)和1210尺寸的新產品(右)的比較

圖9.具有1.0Vp-p的TCXO剪裁sinewave輸出

圖10.52MHzTCXO的相位噪聲測量(1210大小)

圖11.頻率穩定性與溫度

結論

在本文中,我們演示了第一個實現1.2×1.0姐妹TCXO與密封在切石英諧振器.所提出的測量數據驗證了使用TCXO實現GPS/GNSS接收機應用的優良頻率穩定性和相位噪聲的可行性.微型工作提出了減少可穿戴設備的足跡設計的潛力.改進當前消費的優化解決方案是下一個挑戰.

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