最近2004年,PLGR(精密轻巧GPS接收机)是美国军方使用最广泛的接收机,通常花费约2,000美元.目前,许多移动设备的GPS可以获得卫星水平比PLGR100倍,只需要增加不到5美元的移动设备的成本.竞争成本使内置GPS功能的移动设备在全球范围内不断上升,也推动了对小型TCXOs的需求,具有高精度定位的高稳定性性能.

图2说明了标准的GPS接收机架构[2].在射频前端,它包括放大器,滤波器和A-D转换器.天线接收到卫星产生的GPS信号和噪声,射频前端通过混频器,滤波器和A-D转换器将射频信号从射频传输到中频.基于接收机设计的IF通常在2-20MHz范围内.

在基带阶段,中频到基带混频器去除载波频率并保留由卫星生成的原始二进制码.校正器通过PRN代码的副本将噪声信号相乘,乘值由积分器求和.因此,我们可以找到所有可能的代码解析器的所有积分的总结结果,并看到特征三角校正峰值,一旦校正器正确地与传入信号对齐.NCO(数控振荡器)的正确频率是获得强校正峰的关键,其性能将由本振控制.为了保持

在微弱信号采集过程中,本振(通常是消费GPS中的TCXO)的足够的校正峰值水平频率精度和稳定性是影响GPS/GNSS性能的关键因素之一.

图2.带射频前端的标准GPS接收机架构端,基带部分和本地振荡器

在表2中,有几个性能参数应考虑TCXO的选择.由于GPS接收机的搜索窗口算法和TTFF(首次修正时间)的要求,TCXO需要具有±2的频率不确定性.0ppm和±0.5ppm过温保证GPS信号可以检测到.同时,时域时钟稳定性(即漂移速率,rAVAR)和相位噪声也会影响GPS接收机检测GPS信号的能力.时钟稳定性差会导致灵敏度差和位置误差大.此外,如果GPS接收机面临TCXO频率突然变化,卫星信号可能会被错过,位置信息也会被丢弃.

表2.关键TCXO参数与GPS性能

图3显示了模拟TCXO的标准框图.在校准过程之前,VCXO(压控晶体振荡器)频率为25.℃ 是大约/-15ppm,额外的/-10ppm(通常)在工作温度.补偿网络后,电压将应用于VCXO中的变流器.电容变化补偿晶体的fvs.T特性as/-0.5ppm(-30~85℃).

图3.模拟TCXO的标准框图

电压发生器是将合适的电压应用于VCXO的关键电路,在TCXO中实现频率稳定性和温度的优异性能.所需V-T曲线的基本概念通常可以表示为Eq中的三次函数.

哪里A3和A1是极端和线性温度区域的系数,T0是参考温度和A0是DC偏移.

经过适当的补偿方案,最适合的系数为T0,A3,A1,和A0可以计算.将相应的系数数据写入TCXOIC寄存器后,通过室内温度扫描,可以验证频率的稳定性.TCXO的短期稳定性是实现上述优良GPS性能的另一个关键.它主要是通过使用根Allan方差(rAVAR)[3]的时域分析作为情商判断.

哪里F0是标称频率(Hz),和是频率数据点,F我是我-th频率测量值(Hz),

τ是计数器的门时间(秒)

判断正确/不正确根Allan方差的示例分别显示在图4和图5中,以供设计参考.

图 4.具有适当根Allan方差的TCXO(RAVAR <1ppb,Tau = 1sec)

图5.不正确根Allan方差的TCXO

图6展示了具有H型封装结构的TCXO.该封装的截面与字母H类似,在上腔安装了一个密封的切割石英谐振器,在下腔安装了一个IC芯片.在倒装芯片组装过程之前,可以检查和拒绝不合格的晶体.

图 6.具有H型封装结构的TCXO

在制造过程中,晶体的电气检测也是这种微小的设备的一个非常挑战.为了最大限度地提高晶体的检测面积,我们提出了独特的图案设计(绿色区域)在较低的腔实现生产力在图7

图7.常规封装设计(左)和1210 包中的新设计 (右)

结果

我们完成了1.2×1.0×0.5mmTCXO与52MHz的频率,电源电压从1.68V到3.45V,输出剪裁sinewave与1.0Vp-p和1.7毫安电流消耗.典型的近相噪声在1Hz偏移下约为-60Hz/Hz,频率稳定性可满足-30~85以上/-0.5ppm℃,RAVAR小于0.5ppb满足GPS要求

图8.2520尺寸的主流产品(左)和1210尺寸的新产品(右)的比较

图9.具有1.0Vp-p的TCXO剪裁sinewave输出

图10.52MHzTCXO的相位噪声测量(1210大小)

图11.频率稳定性与温度

结论

在本文中,我们演示了第一个实现1.2×1.0姐妹TCXO与密封在切石英谐振器.所提出的测量数据验证了使用TCXO实现GPS/GNSS接收机应用的优良频率稳定性和相位噪声的可行性.微型工作提出了减少可穿戴设备的足迹设计的潜力.改进当前消费的优化解决方案是下一个挑战.