最近2004年,PLGR(精密輕巧GPS接收機(jī))是美國(guó)軍方使用最廣泛的接收機(jī),通常花費(fèi)約2,000美元.目前,許多移動(dòng)設(shè)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(dòng)設(shè)備的成本.競(jìng)爭(zhēng)成本使內(nèi)置GPS功能的移動(dòng)設(shè)備在全球范圍內(nèi)不斷上升,也推動(dòng)了對(duì)小型TCXOs的需求,具有高精度定位的高穩(wěn)定性性能.

圖2說(shuō)明了標(biāo)準(zhǔn)的GPS接收機(jī)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(hào)和噪聲,射頻前端通過(guò)混頻器,濾波器和A-D轉(zhuǎn)換器將射頻信號(hào)從射頻傳輸?shù)街蓄l.基于接收機(jī)設(shè)計(jì)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(jìn)制碼.校正器通過(guò)PRN代碼的副本將噪聲信號(hào)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(hào)對(duì)齊.NCO(數(shù)控振蕩器)的正確頻率是獲得強(qiáng)校正峰的關(guān)鍵,其性能將由本振控制.為了保持

在微弱信號(hào)采集過(guò)程中,本振(通常是消費(fèi)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(guān)鍵因素之一.

圖2.帶射頻前端的標(biāo)準(zhǔn)GPS接收機(jī)架構(gòu)端,基帶部分和本地振蕩器

在表2中,有幾個(gè)性能參數(shù)應(yīng)考慮TCXO的選擇.由于GPS接收機(jī)的搜索窗口算法和TTFF(首次修正時(shí)間)的要求,TCXO需要具有±2的頻率不確定性.0ppm和±0.5ppm過(guò)溫保證GPS信號(hào)可以檢測(cè)到.同時(shí),時(shí)域時(shí)鐘穩(wěn)定性(即漂移速率,rAVAR)和相位噪聲也會(huì)影響GPS接收機(jī)檢測(cè)GPS信號(hào)的能力.時(shí)鐘穩(wěn)定性差會(huì)導(dǎo)致靈敏度差和位置誤差大.此外,如果GPS接收機(jī)面臨TCXO頻率突然變化,衛(wèi)星信號(hào)可能會(huì)被錯(cuò)過(guò),位置信息也會(huì)被丟棄.

表2.關(guān)鍵TCXO參數(shù)與GPS性能

圖3顯示了模擬TCXO的標(biāo)準(zhǔn)框圖.在校準(zhǔn)過(guò)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后,電壓將應(yīng)用于VCXO中的變流器.電容變化補(bǔ)償晶體的fvs.T特性as/-0.5ppm(-30~85℃).

圖3.模擬TCXO的標(biāo)準(zhǔn)框圖

電壓發(fā)生器是將合適的電壓應(yīng)用于VCXO的關(guān)鍵電路,在TCXO中實(shí)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?？梢员硎緸?/span>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(guò)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償方案,最適合的系數(shù)為T0,A3,A1,和A0可以計(jì)算.將相應(yīng)的系數(shù)數(shù)據(jù)寫入TCXOIC寄存器后,通過(guò)室內(nèi)溫度掃描,可以驗(yàn)證頻率的穩(wěn)定性.TCXO的短期穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)良GPS性能的另一個(gè)關(guān)鍵.它主要是通過(guò)使用根Allan方差(rAVAR)[3]的時(shí)域分析作為情商判斷.

哪里F0是標(biāo)稱頻率(Hz),和是頻率數(shù)據(jù)點(diǎn),F我是我-th頻率測(cè)量值(Hz),

τ是計(jì)數(shù)器的門時(shí)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(shè)計(jì)參考.

圖 4.具有適當(dāng)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(gè)密封的切割石英諧振器,在下腔安裝了一個(gè)IC芯片.在倒裝芯片組裝過(guò)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(guò)程中,晶體的電氣檢測(cè)也是這種微小的設(shè)備的一個(gè)非常挑戰(zhàn).為了最大限度地提高晶體的檢測(cè)面積,我們提出了獨(dú)特的圖案設(shè)計(jì)(綠色區(qū)域)在較低的腔實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)力在圖7

圖7.常規(guī)封裝設(shè)計(jì)(左)和1210 包中的新設(shè)計(jì) (右)

結(jié)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(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(cè)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(gè)實(shí)現(xiàn)1.2×1.0姐妹TCXO與密封在切石英諧振器.所提出的測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證了使用TCXO實(shí)現(xiàn)GPS/GNSS接收機(jī)應(yīng)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(shè)備的足跡設(shè)計(jì)的潛力.改進(jìn)當(dāng)前消費(fèi)的優(yōu)化解決方案是下一個(gè)挑戰(zhàn).