GPS定位系統(tǒng)應用在各行業(yè)領域范圍,公共場所,大街小巷,店鋪大多部分地方都具備有GPS定位系統(tǒng),保障了一個安全的環(huán)境.GPS定位的有共其主要目的是為陸,海,空三大領域提供實時, 全天候和全球性的導航服務,并用于情報收集,核爆監(jiān)測和應急通訊等一些軍事目的

  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?；ㄙM約2,000美元.目前,許多移動設備的GPS可以獲得衛(wèi)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(nèi)置GPS功能的移動設備在全球范圍內(nèi)不斷上升,也推動了對小型TCXO晶振的需求,具有高精度定位的高穩(wěn)定性性能.

  圖2說明了標準的GPS接收機架構(gòu)[2].在射頻前端,它包括放大器,濾波器和A-D轉(zhuǎn)換器.天線接收到衛(wèi)星產(chǎn)生的GPS信號和噪聲,射頻前端通過混頻器,濾波器和A-D轉(zhuǎn)換器將射頻信號從射頻傳輸?shù)街蓄l.基于接收機設計的IF通常在2-20MHz范圍內(nèi).

  在基帶階段,中頻到基帶混頻器去除載波頻率并保留由衛(wèi)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(jié)結(jié)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(shù)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,本石英晶體振蕩器(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(wěn)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(gòu)端,基帶部分和本地振蕩器

  在表2中,有幾個性能參數(shù)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晶振需要具有±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(wěn)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(wěn)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(wèi)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(shù)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(wǎng)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(fā)生器是將合適的電壓應用于電壓控制晶振的關鍵電路,在TCXO中實現(xiàn)頻率穩(wěn)定性和溫度的優(yōu)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(shù).

  哪里A3和A1是極端和線性溫度區(qū)域的系數(shù),T0是參考溫度和A0是DC偏移.

  經(jīng)過適當?shù)难a償方案,最適合的系數(shù)為T0,A3,A1,和A0可以計算.將相應的系數(shù)數(shù)據(jù)寫入TCXOIC寄存器后,通過室內(nèi)溫度掃描,可以驗證頻率的穩(wěn)定性.TCXO晶振的短期穩(wěn)定性是實現(xiàn)上述優(yōu)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(shù)據(jù)點,F我是我-th頻率測量值(Hz),

  τ 是計數(shù)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(jié)構(gòu)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晶振在下腔安裝了一個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(jié)構(gòu)的TCXO

  在制造過程中,晶振的電氣檢測也是這種微小的設備的一個非常挑戰(zhàn).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(qū)域)在較低的腔實現(xiàn)生產(chǎn)力在圖7

圖7.常規(guī)封裝設計(左)和1210 包中的新設計 (右)

結(jié)果

  我們完成了1210晶振TCXO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(wěn)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(chǎn)品(左)和1210尺寸的新產(chǎn)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(wěn)定性與溫度

結(jié)論

  在本文中,我們演示了第一個實現(xiàn)1.2×1.0mmTCXO與密封在切割貼片晶振.所提出的測量數(shù)據(jù)驗證了使用TCXO實現(xiàn)GPS/GNSS接收機應用的優(yōu)良頻率穩(wěn)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(yōu)化解決方案是下一個挑戰(zhàn).