突破性创新，TI BAW谐振器技术或将改写石英时钟产业格局

作者:单祥茹  来源:中国电子商情

发布时间:2019-03-04

过去几年，体声波BAW（bulk acoustic wave）滤波器因出色的高频特性在3G、4G时代大放异彩。近日，德州仪器（TI）利用自身在半导体设计和工艺上的优势，突破性地将BAW技术用于集成时钟功能，并于2月28日宣布，现在已有两款全新的嵌入式处理器和模拟芯片集成了BAW谐振器。消息一经公布，立即引起行业极大关注。原因很简单，几十年来，设计人员一直使用石英晶体来产生时钟信号。当这些昂贵的晶体出现磨损时，时钟抖动将导致整个电子系统的性能劣化。此外，因材料和工艺的原因，石英晶振很难集成到芯片内部，是尺寸敏感型应用的一大瓶颈。现在，这些困扰业界多年的问题有望得到彻底解决。

起底体声波BAW谐振技术
BAW是一种微型谐振器技术，它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IC封装中。因此，采用BAW技术的设备比外置石英晶振的设备更加小巧，同时可提供更高质量的有线和无线网络信号。TI BAW谐振器技术的中心层是压电材料，利用压电效应，通过BAW的机械谐振产生稳定的电子信号。这种精确的高频信号可为电子系统提供时钟和计时参考。据TI半导体事业部中国区业务拓展总监吴健鸿介绍，目前TI BAW谐振器的最高频率可达2.5GHz。

图1  TI BAW技术原理

基于TI BAW谐振器技术的产品能为设计人员带来多种好处。一是更小的PCB尺寸。由于时钟已集成至芯片的封装中，电路设计师无需在电路板上安装单独的时钟器件，减少了BOM器件的数量；二是能耗更低。大多数物联网应用对功耗极其敏感，且要求系统能够快速开启时钟系统。基于TI BAW技术的振荡器的唤醒速度比石英晶体快100倍；三是更小的数字噪音。TI BAW谐振器拥有极佳的时钟稳定性，采用该技术的芯片将实现稳定、简化和高性能的数据传输；四是可提供更纯净的时钟。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，可作为单芯片无线解决方案。

两款产品率先受益于BAW振荡器的高性能
在TI发布的两款全新的基于BAW谐振器的产品中，微型计时器的尺寸仅有100微米，比头发的直径还小，但它们的运行频率却远高于石英晶体。采用TI BAW谐振器技术作为参考时钟谐振器的芯片，能够有效提升性能，提高机械应力耐受性，例如振动和冲击等。由于BAW技术能够实现稳定的数据传输，所以有线和无线信号的数据同步将更为精确并使得连续传输成为可能，这意味着可以快速、无缝地处理数据，大幅提升整个系统的效率。

行业首创无晶体无线MCU：SimpleLink CC2652RB是业内首款无晶体无线微处理器（MCU），它在封装内集成了一个TI BAW谐振器。在完整工作范围内，SimpleLink CC2652RB具有同类最佳的频率稳定性(+/- 40ppm)以及空前的高集成度，PCB占用空间缩小10～15%。设计工程师可利用此款无线MCU完成更简单、更小巧的设计，同时还能提升性能、降低成本。由于设计人员无需筛选、校准和组装外部石英晶体，从而加快了产品上市的时间。

图2首款集成TI BAW技术的CC2652RB无线MCU，不再需要外置石英晶振

目前，物联网应用推广的一个主要瓶颈是集成度不高，而无晶体无线MCU可为物联网应用带来巨大的优势。搭载TI BAW技术的SimpleLink CC2652RB MCU可用于低功率无线射频设备中，例如低功耗无晶体蓝牙和Zigbee技术，从而减少由外部晶体引起的无线射频故障。

有效消除时钟噪音的网络同步器：TI发布的另一款搭载BAW谐振器技术的产品是网络同步器LMK05318，与石英晶体一同使用，可减少数字噪声或抖动，这些噪声和抖动通常来自数据中心核心网络中有线或无线硬件基础设施的通信子系统的输入信号。随着5G通信和大数据时代的到来，全球系统之间的数据传输速度日益加快，消除噪音将为5G网络等电信系统带来诸多优势。

图3 基于TI BAW技术的LMK05318，可实现超低抖动与最佳的无中断切换性能

基于TI BAW谐振器技术的网络同步器时钟LMK05318，可支持400Gbps链接，312.5MHz (APLL1)频率下抖动性能为50fs RMS，155.52 MHz (APLL2)频率下抖动性能为125fs RMS，无需其他组件，LMK05318将无中断切换性能（±50ps相变）提高为市场同类产品的4倍。采用TI BAW谐振器技术的LMK05318集成了参考时钟谐振器，以小尺寸提供最高频率。这一高度集成的芯片能够有效提升性能，提高机械应力耐受性，例如振动和冲击等。由于TI BAW技术能够实现稳定的数据传输，所以有线和无线信号的数据同步更为精确并使得连续传输成为可能，这意味着可以快速、无缝地处理数据，大幅提升整个系统的效率。

具有离散时钟和石英晶体器件的通信和工业自动化系统不仅成本高，通常性能更容易受环境条件影响。可以预见，未来通信基础设施的时钟要求将远超当前石英晶体谐振器的设备性能。通过将TI BAW谐振器直接集成到时钟设备中，我们可以实现超低抖动性能和弹性，满足在通信转型的过程中对数据管道在抗震动与抗冲击方面日益严苛的要求。

通过改变系统的设计方法，TI BAW谐振器技术将为下一代工业和通信应用的发展铺平道路，这项突破性技术的影响将会提高全球对跨多种行业卓越创新的需求。