行動電子產品 相位抖動 Ethernet 乙太網路 乙太網 抖動性能 網路頻率 振盪器 雜訊

跟進網路行動應用步伐 微型振盪器受青睞

2011-09-05
與電子產品中的所有其他元件一樣,產品設計工程師總是希望振盪器同時具備體積更小、速度更快和更加便宜的優點。對於網路和行動應用而言,終端應用的要求已接近振盪器性能範圍的極限,所以生產製程正在不斷地演進,以便與終端應用的要求並駕齊驅。
振盪器自身工作不僅要更快(亦即以更高的參考頻率工作),更要在給定頻率條件下具備雜訊更低和抖動更小的優良性能。這樣一來,抖動問題就不會在目標頻率高出很多的應用中被放大,例如10Gigabit乙太網路(GbE)的頻率控制應用。在行動應用方面,則是在所有性能特性與最終元件封裝尺寸及功耗之間取得平衡。

網路升速大幅增加設計難度

圖1 更高傳送的速率會引起雜訊增加的問題,為了克服此一問題而開發的振盪器,也要適應密度更高的板卡架構。
對於網路應用,常規的傳送速率已經從1GbE呈指數性地成長到10GbE,而更高速率的網路也已在開發中,但最令人關心的前三大問題就是雜訊、雜訊、最後還是雜訊(圖1)。傳送速率越高,雜訊容限要求就越嚴格,因為振盪器固有雜訊位準會隨著振盪器參考頻率的增加而增加,以便與網路傳輸的頻率匹配。

如果電路中的雜訊位準較高,將會導致元件的位元錯誤率升高,增加失落的資料包,影響系統的總體性能。

對於1GbE應用,1微微秒(ps)的相位抖動屬於正常。現在,10GbE的設計工程師則希望獲得0.5ps或0.3ps的性能。經重新設計的振盪器架構不斷演進,以期舒緩這方面的壓力,並滿足下一代網路的要求。

在網路領域中,一種滿足頻率控制要求的發展趨勢為,提供針對多級別網路應用獨特參考頻率而配置和設定的專用振盪器設計。這些設計包括用於光纖通道和乙太網路資料傳輸網路、同步光纖網路(SONET)以及串列式先進附加(SATA)、小型電腦系統介面(SCSI)或串列連接SCSI驅動器。

由於在業界這些應用的要求均有詳細的描述,那些在設計和建構時就帶有預設參考頻率和應用匹配的抖動性能的振盪器,可讓網路設備製造商更方便地選定和採購所需的解決方案,從而將工作量減到最少,並把交貨時間縮到最短。

行動電子產品講究輕巧耐用

愈來愈小的元件滿足頻率控制解決方案對更低功耗的要求,這些方案為包括個人通訊設備,以至汽車全球衛星定位系統(GPS)的所有應用,提供十分關鍵性的定時功能。

對於每克電池重量都要斤斤計較的掌上型設備,振盪器設計方面的改進已將輸入電流要求從15~20毫安培(mA)降低到2毫安培或3毫安培,待機電流降至5微安培(μA)。這些元件採用小至2.5毫米(mm)×2.0毫米封裝,在1MHz到高於50MHz的頻率下,為電子裝置設計工程師提供20ppm或更好的頻率穩定性。

振盪器在這些頻率範圍的特性能夠滿足眾多可攜式和電池供電裝置的需求,包括衛星或地面無線電、全球衛星定位系統和全球微波存取互通介面(WiMAX)、802.11,或藍牙(Bluetooth)。由於具備低功耗帶來的低散熱特性,這些振盪器尤其適合具有最少空氣環流的應用,如小型消費性電子產品和耐風雨外殼等。

但是,在許多更嚴苛的應用中,抗衝擊、抗震動及更寬的溫度範圍與產品尺寸或功耗也同樣十分重要。對於這些應用,在振盪器配置無法達到所需的耐久性水準的場合,具備抗震動性能的汽車等級之晶體振盪器,可以提供精確的定時功能,這些滿足被動元件AEC-Q200應力測試要求的晶體振盪器具有2.5毫米×2.0毫米封裝,參考頻率為50MHz,工作溫度範圍為-40~125℃。

從導航系統到高階的音訊及視訊系統、碰撞警告系統、防鎖死煞車系統(ABS)控制和其他車載電腦系統等應用中,都可發現到這類汽車等級晶體振盪器的蹤跡。除汽車應用外,重型施工設備中的全球衛星定位導航系統也可採用相同的汽車等級晶體振盪器。

用於工業環境中的行動電子產品也採用這類汽車等級的晶體振盪器,在這些應用環境中,設備在使用時會受到比較粗暴的對待,碰撞、摔落到堅硬表層的可能性很高。這些應用包括無線儀表讀數裝置(Wireless Meter-reading Device)、包裹投送業務中使用的資料裝置,以及用於庫房存貨管理系統中的可攜式條碼掃描器。

振盪器設計因應市場需求

近年來,在許多應用領域中曾經有過的振盪器性能、雜訊與交貨時間三者之間的矛盾情形已經得到舒緩;而讓這些矛盾獲得舒緩的一個重要因素,是業界採用模組化建構區塊的架構。這項技術採用特殊的電路以彌補普通晶體振盪器的不足,提供具有所需降噪性能的特殊參考頻率。採用數個fractional-N的鎖相回路(PLL)中的一個,並使用第三級Δ-Σ(Delta-sigma)調變技術,藉由在更寬頻帶上分散雜散波(Spur)的方式來降低雜散波的整體振幅。藉著結合這些特點和特定應用積體電路(ASIC),這種模組方式能夠帶來雜訊及抖動較小的精確性能。

採用模組化架構的晶體振盪器,最佳之處在於其性能指標滿足設備製造商縮短元件交貨時間和降低成本的更高要求。最新一代技術可望降低抖動至0.3~0.5ps範圍內、頻率範圍擴展至1.5GHz,電壓降至1.8伏特(V),並且具有滿足OC-192要求的更低相位雜訊。

縮小尺寸、提高速度仍然是整個電子產業的普遍要求,晶體振盪器的製造商將持續開發新的技術,以滿足業界對性能的要求,提供更短的交貨時間,更低成本的解決方案。

(本文作者為Fox Electronics工程銷售經理)

本站使用cookie及相關技術分析來改善使用者體驗。瞭解更多

我知道了!