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目次

Application Note

水晶発振器に対するスタンドアロン BAW 発振器の利点

Clock and Timing Solutions
概要
このアプリケーション・レポートでは、テキサス・インスツルメンツの BAW テクノロジー、BAW 共振器と発振器回路の統合によるスタンドアロン発振器の作成、BAW 発振器を使うことの利点 (水晶発振器との比較) について詳しく説明します。水晶発振器に対する BAW 発振器の主な利点には、柔軟性の向上、温度安定性の向上、ジッタ性能の向上、電源ノイズ耐性の向上、振動安定性の大幅な向上、耐衝撃性の大幅な向上が挙げられます。

目次
1 概要...........................................................................................................................................................................................22 BAW テクノロジーの概要............................................................................................................................................................23 BAW 発振器の統合................................................................................................................................................................... 24 水晶発振器................................................................................................................................................................................35 LMK6C/D/P/H BAW 発振器と水晶発振器の比較.......................................................................................................................55.1 柔軟性.................................................................................................................................................................................55.2 温度安定性......................................................................................................................................................................... 65.3 位相ノイズ性能.................................................................................................................................................................... 65.4 電源ノイズ耐性.................................................................................................................................................................... 75.5 機械的堅牢性......................................................................................................................................................................86 まとめ.......................................................................................................................................................................................10図の一覧
図 3-1. BAW とベース・ダイの統合.................................................................................................................................................2
図 3-2. LMK6C/D/P/H BAW 発振器のブロック図........................................................................................................................... 3
図 4-1. SPXO 水晶発振器のブロック図..........................................................................................................................................3
図 4-2. PLL 付き水晶発振器のブロック図.......................................................................................................................................4
図 5-1. 全温度範囲での BAW 発振器の周波数安定性.................................................................................................................. 6
図 5-2. LMK6P/D/H BAW 発振器 (差動) の位相ノイズ性能 (正規化済み)......................................................................................6
図 5-3. LMK6C BAW 発振器 (シングルエンド) の位相ノイズ性能 (正規化済み).............................................................................. 7
図 5-4. LMKD/P/H の衝撃 (1500g) の影響................................................................................................................................... 8
図 5-5. LMK6C の衝撃 (1500g) の影響........................................................................................................................................ 9
図 5-6. LMK6C/D/P/H BAW 発振器と水晶発振器の振動に対する感受性の比較............................................................................9
図 5-7. LMK6P/D/H (差動) の経時変動.......................................................................................................................................10
図 5-8. LMK6C (シングルエンド) の経時変動...............................................................................................................................10

商標
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概要

1 概要
水晶振動子発振器 (XO) は、1920 年代に発明されて以来、1 世紀以上にわたってタイミング・リファレンス市場を支配してきました。これらの水晶発振器は、ローエンド・アプリケーション (リアルタイム・クロック) からハイエンド・アプリケーション(複雑な無線、GPS、ミリタリー / 航空) まで幅広い製品で有効性が見出されてきました。ここ数 10 年間、移動体通信と新たに出現した IoT 市場が、水晶振動子と同等以上の性能を維持しながら、消費電力が小さく、小型で、統合しやすい新しい共振器技術の探索を推進してきました。この 10 年間に、各種のマイクロ共振器技術を利用した複数のスタンドアロン発振器製品が消費者市場に投入されました。テキサス・インスツルメンツは、2012 年に、先進のタイミング・アプリケーションを目指して独自のバルク弾性波 (BAW) 共振器テクノロジーの開発を開始しました。また、2018 年以来、業界最高性能のジッタ・クリーナ (LMK05318 ファミリ) と世界で初めて商品化された水晶振動子を使わない BLE 無線 (CC2652RB ファミリ) を含む複数のシステム製品を発表してきました。これらのデバイスの量産経験を生かして、テキサス・インスツルメン
ツは今回、BAW を使ったスタンドアロン発振器製品を発売しました。

2 BAW テクノロジーの概要
テキサス・インスツルメンツの BAW 共振器テクノロジーは、2.5GHz での高 Q 共振を発生させるために圧電変換を利用しています。この共振器は、上下の電極に挟まれた四角形の領域によって定義されます。高音響インピーダンス層と低音響インピーダンス層を交互に配置することで、共振体の下に音響ミラーを形成し、基板への音響エネルギーの漏れを防止します。さらに、デバイスを汚染から保護し、パッケージ材料へのエネルギーの漏れを最小限に抑えるため、これらの音響ミラーは共振器スタックの上に配置されています。この独自のデュアル・ブラッグ音響共振器 (DBAR) によって、共振器を囲む高価な真空キャビティがなくても効果的に励起することを可能にしています。結果的に、テキサス・インスツルメンツのBAW 共振器は、表面汚染物質の吸収による周波数ドリフトに影響されないため、標準的な発振器フットプリント (3.2mm× 2.5mm および 2.5mm × 2.0mm) の非気密プラスチック・パッケージ内に発振器回路と共に直接配置できます。

3 BAW 発振器の統合
LMK6C/D/P/H は BAW 共振器、分数出力分周器 (FOD)、出力ドライバを内蔵しており、これらを組み合わせることで、あらかじめ設定された出力周波数が生成されます。発振周波数の温度変動は、内部の高精度温度センサによって連続的に監視され、その信号は周波数制御ロジック・ブロックに入力されます。この周波数制御ロジック・ブロックを使って、温度による変動と経時変動を含めて、出力周波数を ±25ppm 以内に維持するための周波数補正が内部的に実行されます。
出力ドライバは、シングルエンド (LVCMOS) と差動 (LVPECL、LVDS、HCSL) の両方の方式で出力できます。本デバイスは、電源ノイズを低減する LDO も内蔵しているため、低ノイズのクロック出力が得られます。
図 3-1 に、BAW 発振器の統合の様子 (モールド前) を示します。BAW 発振器には、FOD、LDO、温度センサなどの追加 IC 回路を内蔵するベース・ダイと、BAW 共振器ダイが含まれます。WLP (ウェハー・レベル・パッケージ) は、振動および衝撃耐性とストレス分離の観点から、デバイスの信頼性を向上させるために採用されています。

図 3-1. BAW とベース・ダイの統合

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水晶発振器

その結果、本デバイスは、代替品とピン互換であり、そのまま交換できるシンプルな 4 ピン (シングルエンド LVCMOS) ま
たは 6 ピン (差動、LVPECL、LVDS、HCSL) の業界標準パッケージ (3.2mm × 2.5mm または 2.5mm × 2.0mm) で供給されます。
VDD

PowerConditioning

BAW
Fractional
OutputDivider

CLK
OutputdriverCE/OE/NC

Output/ChipControl Logic

Frequency Control
Logic

Temp
SensorGND

図 3-2. LMK6C/D/P/H BAW 発振器のブロック図

4 水晶発振器
スタンドアロンの発振器デバイスを構成する場合、水晶振動子を統合するのに 2 つの方法があります。それぞれの方法には固有の利点と欠点があります。第 1 の方法は、水晶振動子と発振回路を組み合わせ、各種の出力タイプに対応するために単純に出力ドライバを追加することです。これは通常、SPXO シンプル・パッケージ発振器と呼ばれます。

図 4-1. SPXO 水晶発振器のブロック図
これは洗練されたソリューションであり、簡潔性、小型パッケージ、迅速な起動時間 (キャリブレーションがないため) を実現できますが、対応可能な周波数は非常に限られています。対応する周波数は、使用する水晶振動子で単純に決まります。アセンブリ後に水晶振動子の周波数を変更することはできないため、異なる出力周波数に対応するには、別の水晶振動子をパッケージ内に組み込んでおく必要があります。さらに、水晶振動子の周波数は水晶の厚さに反比例するため、約 50MHz を超える基本周波数で動作する水晶振動子は、取り扱いと製造が非常に困難であることから、ほとんど存在しません。より可能性の高い方法は、基本波の奇数のオーバートーン (たとえば 3 次のオーバートーン) で動作させることです。これは、基本周波数の 3 倍の周波数で水晶振動子が動作することを意味します。水晶振動子が 3 次オーバートーンで動作している場合、その抵抗は基本波で動作している場合の抵抗の約 3 倍になりますが、その静電容量は約 9 分の1 に低下します。どちらの変化も、水晶振動子の Q と調整能力に大きく影響します。
水晶振動子を統合するもう 1 つの方法は、はるかに高い周波数 (通常は GHz 単位) で動作する VCO を使った PLL ループの基準として水晶振動子を使用することです。この GHz 単位の周波数から、単純な分周器と出力ドライバを使って、必要とされる特定の出力周波数を特定の出力タイプで提供できます。1 つの IC で対応できる周波数の数を増やすために、PLL と出力分周器のどちらかにフラクショナル・エンジンを追加することもできます。これらの水晶発振器には、レジスタを簡単に設定するための何らかの通信プロトコル (I2C または SPI) を備えます。

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水晶発振器

図 4-2. PLL 付き水晶発振器のブロック図
これは、すべての周波数をサポートできる 1 つのシリコンを使ったより堅牢かつフレキシブルなソリューションですが、いくつかの短所があります。一般に、多くのコア・ブロック (PLL、分周器など) が必要とされるため、比較的大きなパッケージ・サイズ (5mm × 3.2mm、7mm × 5mm) と大きな消費電流 (100mA 以上) の原因となります。最後に、PLL のキャリブレーションとロックは比較的遅い起動時間 (通常 10ms 以上) の原因となります。
サイズ、消費電力、起動時間に関する短所は、部品供給の制約のリスクを緩和するためのコストが低減される (設定を変更することですべての可能な周波数に 1 つのシリコンで対応できるため) という長所によって相殺されます。

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LMK6C/D/P/H BAW 発振器と水晶発振器の比較

5 LMK6C/D/P/H BAW 発振器と水晶発振器の比較
表 5-1. LMK6C/D/P/H BAW 発振器と水晶発振器の主な仕様の比較
パラメータ

LMK6C/D/P/H BAW 発振器の仕様と詳細

柔軟性

1 つの BAW ダイ + 1 つの 周波数の制約
ベース・ダイ(任意の周波数、電圧電源、水晶発振器の仕様と詳細

水晶振動子に対する BAWの利点

優位供給の制約が少ない。1 つの IC ですべての周波数をサポート。

BAW 発振器

ピン互換をサポートするシングル IC ソリューション)
温度安定性±10ppm(温度範囲と無関係に温度安定性を維持)

温度が上昇するにつれて、安定性の ppm 値も増加する。

広い温度範囲で安定性が優 BAW 発振器
れている。

ジッタ
BW 12kHz～20MHz

125fs 以下 (LVDS、LVPECL、HCSL)
500fs 以下 (LVCMOS)

ハイエンド品は BAW と同様 BAW は、水晶振動子市場の性能を発揮。のハイエンド品に匹敵。

電源ノイズ耐性-70dBc (3.3V 電源への
通常、LDO は内蔵されてい 性能を最適化するのに LDO BAW 発振器
50mV の注入によるピーク・ ない。
も DC/DC コンバータも外付スプリアス、50kHz～1MHz)
け不要。
(内蔵 LDO)

振動MIL_STD_883F 方法 2002 通常は MIL-STD に合格し条件 Aない。10ppb/g を超える場合がある。
(MIL 規格に加えて、BAW同等環境からの影響は最小限。

BAW 発振器

MIL_STD_883F 方法 2007 通常は MIL-STD に合格し 環境からの影響は最小限。
条件 B (MIL 規格に加えて、 ない。2,000g で故障する可非常に高い衝撃レベルに耐 能性がある。

BAW 発振器

発振器は約 1ppb/g (標準値) の振動安定性を達成しています。そのため、振動による位相ノイズの影響を最小限に抑えることができます。)
衝撃えることができます。)

5.1 柔軟性LMK6C/D/P/H BAW 発振器は、PLL/VCO を使った水晶発振器とよく似た、1MHz～400MHz の任意の出力周波数を生成できるシングル IC ソリューション (1 つの BAW ダイ + 1 つのベース・ダイ) ですが、仕様は SPXO にはるかに近い値です。本 BAW 発振器は起動時間が速く (5ms 未満)、業界標準の超小型パッケージ (3.2mm × 2.5mm、2.5mm ×2.0mm) で供給され、消費電流は 50mA (標準値) です。1.8V、2.5V、3.3V 電源で動作でき、競合するすべての発振器製品とピン互換です。また、本 BAW 発振器は一般的なすべての出力タイプ (差動：LVPECL、LVDS、HCSL、シングルエンド：LVCMOS) をサポートしています。

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LMK6C/D/P/H BAW 発振器と水晶発振器の比較

5.2 温度安定性
水晶振動子は大きな温度依存性を持っており、温度が上昇すると周波数は大きく変化します。拡張産業用グレード(115℃ LVCMOS / 105℃差動) での 25ppm 品のサポートは、何らかの温度補償回路を追加しない限り不可能です。
LMK6C/D/P/H BAW 発振器は、全温度範囲で ±10ppm の許容値を満たします。

図 5-1. 全温度範囲での BAW 発振器の周波数安定性

5.3 位相ノイズ性能
ジッタは、すべてのクロック製品で評価の基準となる重要な性能仕様です。LMK6P/D/H BAW 発振器は、差動出力で100fs (標準値) を満たす優れたジッタ性能を備えています。

図 5-2. LMK6P/D/H BAW 発振器 (差動) の位相ノイズ性能 (正規化済み)
シングルエンド・バージョンは、300fs 未満 (標準値) というクラス最高のジッタ性能を備えています。

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LMK6C/D/P/H BAW 発振器と水晶発振器の比較

図 5-3. LMK6C BAW 発振器 (シングルエンド) の位相ノイズ性能 (正規化済み)

5.4 電源ノイズ耐性
LMK6C/D/P/H BAW 発振器は、電源のリップルから出力クロックを保護する LDO を内蔵しています。そのため、外付けLDO または DC/DC コンバータを電源に接続しなくても、発振器の性能を最大限に引き出せるという利点があります。電源ピンに単純なバイパス・コンデンサを接続するだけで、リップルの大部分は除去され、出力にノイズを生じさせません。

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5.5 機械的堅牢性発振器にとって振動と衝撃は、位相ノイズとジッタの増加、周波数シフトおよびスパイク、さらには共振器とそのパッケージに対する物理的損傷のよくある原因です。水晶振動子と比較して LMK6C/D/P/H は、その数桁小さい質量と高い周波数により、振動や衝撃に対する耐性が高くなります。質量が小さいため、加速度によってデバイスに加わる力が非常に小さいためです。LMK6C/D/P/H BAW 発振器は MIL_STD_883F 方法 2002 の条件 A (振動) と MIL_STD_883F 方法
2007 の条件 B (衝撃) の両方に適合しており、振動および衝撃イベントの後も性能 (ジッタ、安定性、その他の各種デバイス性能) は低下しません。
軍用規格試験に加えて、LMK6C/D/P/H BAW 発振器は各種条件の応力下でテストされます。応力下での衝撃によって観測される BAW 発振器の周波数シフトは、最小限であるだけでなく、イベント後に以前のレベルに回復します。

図 5-4. LMKD/P/H の衝撃 (1500g) の影響

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図 5-5. LMK6C の衝撃 (1500g) の影響
振動に関しては、BAW 発振器が示す、振動による周波数偏差は最小限 (約 1ppb/g) です。これは、水晶発振器ソリューションに対して 1 桁近く良い値です。

図 5-6. LMK6C/D/P/H BAW 発振器と水晶発振器の振動に対する感受性の比較
LMK6C/D/P/H BAW 発振器は、10 年間の経時変動を含め、すべて込みで ±25ppm の周波数安定性を保証しています。図 5-7 と図 5-8 に、LMK6P/D/H 差動および LMK6C シングルエンド BAW 発振器の経時変動の傾向を示します。

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まとめ

図 5-7. LMK6P/D/H (差動) の経時変動

図 5-8. LMK6C (シングルエンド) の経時変動

6 まとめ
LMK6C/D/P/H BAW 発振器は、本書で取り上げた多くの性能上の利点が示すように、水晶発振器に代わる優れた選択肢です。それに加えて、BAW 発振器には、水晶発振器市場に見られるような供給にかかわる制約がありません。BAW 発振器は、テキサス・インスツルメンツによって完全に制御および設計された製造プロセスを使っており、1 回のウェハー・プロセスで大量の製品を製造できるためです。

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