随着物联网时代的到来,物联网设备产生越来越多的数据。通过大数据分析确实能帮助管理层制定精明的决策,但是数据传送越快对时钟的要求越高,当传输速度达到 400Gbps 时,对时钟的要求变得非常苛刻。传统上,设计人员一直使用石英晶体来设计时钟,但是当晶体出现磨损时,它们就会抖动或跳变,进而影响计时的精确性。尤其是针对复杂系统,时钟稳定性还受到整体设计时间、稳定性、PCB 大小的影响。经过长时间的研究,TI 通过 BAW 技术实现了突破。

 

揭秘 BAW 技术的原理及优势
所谓 BAW 技术就是一种微型谐振器技术,支持把高精度和超低抖动时钟直接集成到包含其他电路的封装中。BAW 技术设备比外置石英晶振设备小巧,可提供更高质量的有线和无线网络信号。从无线消费电子产品到高端工业系统,为各种领域提供更高质量的通信和更高的效率。

 


BAW 的工作原理

 

如上图所示,TI BAW 谐振器技术中心层是压电材料。当为该器件施加频率,会导致机械结构震动,此时,层结构将捕获产生的能量。BAW 谐振器的关键属性是具备存储结构内的最大声能,用以获得高电气 Q 因子值。

 

TI 半导体事业部中国业务发展总监吴健鸿介绍,“TI 的 BAW 技术具有几大优势:第一,更小的尺寸,集成至芯片封装中,电路设计师无需在电路板上安装单独的时钟器件;第二,大多数情况下能耗更低。许多物联网应用要求快速开启时钟系统。基于 TI BAW 技术的振荡器的唤醒速度比石英晶体快 100 倍;第三,更小的数字噪音,TI 网络同步器芯片提供的抖动性能优于目前市场上的同类性能最佳设备。第四,更洁净的时钟。TI BAW 谐振器提供超洁净的计时参考,这对每秒数百 Gb 的高速数据传输十分重要。它也能集成到无线射频(RF)芯片上,作为单芯片无线解决方案。”

 


TI 半导体事业部中国业务发展总监吴健鸿

 

BAW 技术让电子系统的时钟更快更稳
过去,BAW 谐振器技术常被用于过滤诸如智能电话之类的通信技术中的信号。在业内,TI 首次将这项技术用于集成时钟功能,并于近期发布了两款基于体声波(BAW)谐振器技术的核心产品:CC2652RB SimpleLink 无线微控制器(MCU)和 LMK05318 网络同步器时钟。这些微型计时器尺寸仅有 100 微米,比头发的直径还小,但它们的运行频率远远高于石英晶体,可实现更优异的系统性能。

 

无线 MCU CC2652RB 具有更小的总体积,无外置石英晶振,在方形扁平无引脚(QFN)封装内集成了一个 BAW 谐振器,因而无需外置高速 48-MHz 晶体;其次,这最低功耗的多标准器件,在单芯片上支持 Zigbee、Thread、低功耗蓝牙及私有 2.4-GHz 连接解决方案,支持 -40°C 到 85°C 的工作范围。

 

再看 LMK05318,这是一款网络时钟同步器,最主要应用在一些传送超过或达到 400Gbps 输出量的网络设备。因为用了 BAW 的技术,整个时钟性能提高了约 25db,传输数据量可以达到最高峰的数据量。吴健鸿举例说明,网络设备对稳定性要求很高,如果在设备发生问题需要重新调动时钟,会涉及到中断切换性能。一般产品需要 24 小时不间断工作,一旦发现有一个时钟有问题时,要很快速地切换到另外一个备份时钟上,切换时要确保途中不会丢失数据,因此,这对切换时钟相位突变有要求,这个要求使时钟设计难度很大,一般 Clock set 时钟装置不稳定,干扰会带来很多问题。凭借超低抖动和行业最佳的无中断开关性能,LMK05318 针对 56-Gbps 和新兴的 112-Gbps 脉冲幅度调制 4 链路提供了最低比特误差率,实现更佳的网络性能。

 


从上图可以看出,绿色的线代表 BAW 测试的相位噪声数据,蓝色线代表用普通 LC 振荡器测试的数据,中间相差 25dB。其中 -3dB 是性能的翻倍,可以想象 25dB 性能提高了多少?

 

吴健鸿总结,“应用 BAW 技术后,可以让像高速网络等一些始终有苛刻数据要求的应用性能得到提升,让 400Gbps 数据量有更稳定的系统,同时提升产品抗干扰能力,缩小 PCB 设计面积。”

 

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