大数据时代的突破性TI 体声波(BAW)技术

传感器技术 2019-03-22 18:00

传感器技术编辑整理


时钟信号常用于同步电路,保证着相关电子组件得以同步运作。被形容为电子产品的心脏,可见时钟对电子产品的重要性。


传统的时钟使用石英晶体通过晶体振荡产生电子心跳,实现精确的节奏。但这些晶体的成本昂贵、易磨损,从而影响其精准性,并且开发过程复杂,占用PCB面积较大,种种弊端证明,传统的石英晶振器件已经不能满足当今大数据爆发的物联网时代。


5G时代已经来临!全球系统之间的大数据传输速度日益加快,对时钟信号有着苛刻的要求,如何解决每秒18Gdps的传输速度,已经成了众多芯片厂商急待解决的问题。


2019年2月28日德州仪器TI在北京金隅喜来登酒店召开新品发布会宣布推出突破性基于体声波(BAW)技术的全新嵌入式处理器和模拟芯片该产品非常适合应用在下一代无线物联网和通信基础设施的设计中


德州仪器本次推出的采用TI BAW技术开发出的两款设备分别是CC2652RB SimpleLinkTM无线微控制器MCU与LMK05318网络同步器时钟它们将帮助系统设计师简化设计逻辑缩短产品上市时间同时实现稳定简化和高性能的数据传输从而可以降低潜在的整体开发和系统成本。

体声波BAW技术

 

BAW(bulk acoustic wave)又被成为体声波,这项技术其实早就在滤波器中得以应用。但是,在无线通信正朝着高通信频率、高传输速率、高密集复用和高集成化方向发展的过程中,谐振器技术也出现了瓶颈,其中谐振器的集成化是问题的关键。在过去,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,而TI则是首次将这项技术用在了集成时钟功能。TI半导体事业部中国区业务拓展总监吴健鸿介绍:“使用BAW技术做时钟,最主要的原因,还是因为在数据在高频进行传输时,需要更稳定的滤波,BAW技术在高频段性能表现是最好的。同时,TI BAW技术基于硅而设计,很容易和其他产品进行对接。”



BAW器件的结构非常简单,通常是由在硅衬底上的三明治压电堆构成,其中三明治压电堆由下电极、压电薄膜和上电极构成,利用声纵波在下电极、压电薄膜、上电极的三明治结构中反射形成驻波谐振。


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,用于获得高电气Q因子值。

 

顺着5G高频趋势 BAW有望在2022年取代SAW

 

随着移动设备对网络频段数量的支持不断升级,RF射频前端的关键部分一一滤波器市场前景广被看好。


随着多频段、载波聚合和共存干扰的需求及要求愈发严格,滤波器在可调试宽带技术尚不成熟的情况下,个数会明显增加。通常来说,多个频段需要多个滤波器进行前端射频信号的处理。


在技术层面,滤波器在RF射频前端的重要性也日渐凸显。滤波器的职责,主要是让频带内的有用信号通过天线到达蜂窝基站,并滤除掉频带外的杂散信号。这些“杂散”信号包括来自附近频段的信号干扰,就像我们听收音机时,在某个频段会偶尔掺杂进来其他频道的信号,这就是滤波器”失职“所造成。又比如,我们在打电话时,偶尔会断线或者声音不清晰等,也多少跟滤波器的作用发挥失常有关系。

  

从滤波器技术的发展进程来看,SAW(声表面波)Filter和BAW(体声波)Filter分别代表着不同阶段的技术方向。


若分析两种滤波器技术的优劣,首先看SAW滤波器。从SAW Filter的频率公式f=v/λ(v指速率,约3100m/s,λ指IDT电极之间的间距)可以看出,频率越高,要求的IDT电极之间的间距越小,而实际上间距不能太小,这就导致SAW Filter并不太适合2.5GHz以上的频率,而且,很小的间距(高频率)下电流密度太大(高功率)会导致电迁移和发热等问题。而SAW Filter对温度变化又比较敏感,其性能会随着温度升高而变差,虽然可通过在IDT上增加保护涂层来解决,但增加的涂层又会使工艺变得复杂,成本也会增加。

  

其实,SAW滤波器的最好应用范围是2.0GHz以内,功率小于33dBm。目前SAW工艺也有了长足的进步,甚至可以应用到2.4GHz频段。但相比之下,BAW滤波器最大可以工作到20GHz,功率可以接近40dBm(10W),且对温度变化不敏感,具备“插入损耗小、带外衰减大”等优点。并且,BAW Filter的制造工艺也非常符合现有的IC制造工艺,适合和其他的active电路做整体的结合。不足之处在于,BAW滤波器成本高,另外因为Q值高,量产一致性是个致命的挑战。

 

综上来看,SAW Filter的优势在于成本低,技术成熟且产品一致性高,不足是工作的频段有限(2.5GHz以内),且对温度变化敏感。而BAW Filter则刚好相反,优势在于可在高达20GHz的高频工作,对温度变化不敏感,插入损耗小,带外衰减大,不足则在于成本高、一致性差。但从整体技术发展趋势来看,BAW Filter是用于接替SAW Filter的新一代滤波器技术,并已经开始应用于苹果手机等高端移动设备中。


由于BAW的结构分BAW—SMR和FBAR,因此BAW-SMR和FBAR作为BAW的分支,同样具备BAW的所有优点,特别是FBAR滤波器技术备受国际大厂青睐。BAW Filter在高端智能手机上的应用正在成为趋势,不过这并不说明SAW Filter就完全失去了市场。相反,在一定时期内,SAW仍将占据中低端市场绝大部分市场份额,除了移动通信领域,2.4G Wi-Fi传输对于SAW的需求依然相当大,这几年依然会有可观的市场占有率。


BAW并不会完全取代SAW,二者会分别在中高频和低频发挥出最佳的性能优势,并长期并存。相比于SAW,BAW的优势在于中高频段的性能优势,如更小的插入损耗、更高的带外抑制等。但近几年,SAW的工艺也在不断提升,如高品质因素SAW以及温度补偿SAW等。简言之,2GHz以下SAW的市场占有率仍比较大,但2GHz以上BAW的市场占有率会比较高。


用于计时的TI BAW谐振器技术

 

了解TI的体声波时钟技术如何降低振动并简化下一代通信系统中的设计。

下图显示了分组交换电信网络生态系统,其中包括5G无线基础设施和400-Gbps交换机以及在网络边缘及其核心之间传输数据的路由器。 

 分组交换电信网络


BAW谐振器是一种高品质因数(高Q值)谐振器,它取代了网络同步器IC中常见的传统电感器 - 电容振荡器。它是一种类似于石英晶体的薄膜谐振器,夹在金属薄膜和其他层之间,以限制机械能。结果实现了无比强大性能的高-Q,超低噪声谐振器。


为什么这种性能对5G和400-Gbps网络至关重要?

400-Gbps
收发器使用四级脉冲幅度调制(PAM-4)方案来传输数据。与传统的非归零调制方案相比,该数据调制方案在相同带宽上实现更高的数据速率。像光互联网论坛通用电气接口和电气和电子工程师协会802.3bs这样的400-Gbps标准对PAM-4发射机具有非常严格的发射振动需求,仅将整个发射机抖动的一小部分分配给网络同步器生成 参考时钟。

采用56G PAM-4串行器/解串器(SerDes)解决方案的交换机应用专用IC供应商要求在12 kHz至20 MHz频段内最大集成参考时钟抖动为150 fs均方根(RMS)。采用TI BAW谐振器技术的网络同步器时钟,例如LMK05318,通常具有小于60 fs(156.25-MHz载波)的集成RMS抖动(12 kHz至20 MHz),如图所示。这种性能水平可以帮助设计人员为他们的系统提供面对未来的保障。 

 来自LMK05318网络同步器时钟的156.25 MHz输出时钟


现在,关于5G应用中的无线电,5G新无线电标准规定了低于6 GHz的新频带,并扩展到毫米波频率。虽然低于6 GHz是现有长期演进(LTE) - 高级功能的进步,但真正的挑战在于毫米波设计,其中更多连续带宽可用于传输大量数据。参考时钟损伤(例如相位噪声)可能导致调制信号失真,这在毫米波设计的较高频率和较宽带宽特性中成为问题。


信号质量的特征在于系统的误差矢量幅度,参考时钟的相位噪声对它起主要影响。由于更加密集的调制方案计划用于5G(目前从256个正交幅度调制 [QAM] ,未来高达1, 024个QAM),对误差矢量幅度的要求变得越来越严格。因此,来自网络同步器的低噪声参考时钟对于确保最佳系统性能至关重要。


数据已成为普遍需求

 

想象一下这种可能性:医生可以通过无线网络实时检查生命体征,因此患有心脏病的新生儿无需留在医院,在家即可进行治疗。或者,农民可以使用增强现实技术来远程监控牲畜或检查田地的状况。



每天发送和接收大量有线或无线数据对我们的日常生活产生着重大影响,并在高度互联的世界中推动着经济发展。技术对于释放这些机会至关重要。

 

20世纪是石油和大宗商品时代,而21世纪则是大数据时代。在数十亿计的人和机器互连的世界中,数据流呈指数级增长,这种增长目前还无上限。


从虚拟健康和智能农业到智能城市和智能工厂,数十亿计的新电子设备将互联起来,作为数据来源提供并使用这些数据。每天通过分析由工厂传感器产生的数以万亿字节(Terabytes)的数据,以提高生产线的效率。今天由半自主设备收集的数据将在未来实现更多的自主权。自动化楼宇将帮助我们提高生产力,让我们的生活更加环保。

通信和数据处理基础设施将提供有用、可行且有价值的数据,为市场中的领导者以及在信息高速公路行进的数十亿计的其他人服务。


在不远的将来,如果您无法访问数据,您的生活将受限,就像无法获得电力一样。


突破性新型TI体声波(BAW)技术将为有线和无线系统提供更洁净的计时参考。基于TI BAW技术增强了对Zigbee®技术、低功耗蓝牙和Wi-Fi®技术的无线解决方案性能和易用性的支持标准,并为下一代无处不在的连通性铺平了道路。

传感器技术 制造业的未来是智能化,智能化的基础就是传感器; 互联网的方向是物联网,物联网的基石也是传感器; 关注传感器技术,获得技术资讯、产品应用、市场机会,掌握最黑科技,为中国工业导航。
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