體聲波（BAW）技術(shù)的原理分析

時鐘信號常用于同步電路，保證著相關(guān)電子組件得以同步運(yùn)作。被形容為電子產(chǎn)品的心臟，可見時鐘對電子產(chǎn)品的重要性。

傳統(tǒng)的時鐘使用石英晶體通過晶體振蕩產(chǎn)生電子心跳，實現(xiàn)精確的節(jié)奏。但這些晶體的成本昂貴、易磨損，從而影響其精準(zhǔn)性，并且開發(fā)過程復(fù)雜，占用PCB面積較大，種種弊端證明，傳統(tǒng)的石英晶振器件已經(jīng)不能滿足當(dāng)今大數(shù)據(jù)爆發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)時代。

5G時代已經(jīng)來臨！全球系統(tǒng)之間的大數(shù)據(jù)傳輸速度日益加快，對時鐘信號有著苛刻的要求，如何解決每秒18Gdps的傳輸速度，已經(jīng)成了眾多芯片廠商急待解決的問題。

2019年2月28日，德州儀器TI在北京金隅喜來登酒店召開新品發(fā)布會，宣布推出突破性基于體聲波(BAW)技術(shù)的全新嵌入式處理器和模擬芯片。該產(chǎn)品非常適合應(yīng)用在下一代無線物聯(lián)網(wǎng)和通信基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計中。

德州儀器本次推出的采用TI BAW技術(shù)開發(fā)出的兩款設(shè)備分別是CC2652RBSimpleLinkTM無線微控制器（MCU）與LMK05318網(wǎng)絡(luò)同步器時鐘。它們將幫助系統(tǒng)設(shè)計師簡化設(shè)計邏輯，縮短產(chǎn)品上市時間，同時實現(xiàn)穩(wěn)定、簡化和高性能的數(shù)據(jù)傳輸，從而可以降低潛在的整體開發(fā)和系統(tǒng)成本。

體聲波（BAW）技術(shù)

BAW（bulk acoustic wave）又被成為體聲波，這項技術(shù)其實早就在濾波器中得以應(yīng)用。但是，在無線通信正朝著高通信頻率、高傳輸速率、高密集復(fù)用和高集成化方向發(fā)展的過程中，諧振器技術(shù)也出現(xiàn)了瓶頸，其中諧振器的集成化是問題的關(guān)鍵。在過去，BAW諧振器技術(shù)常被用于過濾諸如智能電話之類的通信技術(shù)中的信號，而TI則是首次將這項技術(shù)用在了集成時鐘功能。TI半導(dǎo)體事業(yè)部中國區(qū)業(yè)務(wù)拓展總監(jiān)吳健鴻介紹：“使用BAW技術(shù)做時鐘，最主要的原因，還是因為在數(shù)據(jù)在高頻進(jìn)行傳輸時，需要更穩(wěn)定的濾波，BAW技術(shù)在高頻段性能表現(xiàn)是最好的。同時，TI BAW技術(shù)基于硅而設(shè)計，很容易和其他產(chǎn)品進(jìn)行對接?！?/p>

BAW器件的結(jié)構(gòu)非常簡單，通常是由在硅襯底上的三明治壓電堆構(gòu)成，其中三明治壓電堆由下電極、壓電薄膜和上電極構(gòu)成，利用聲縱波在下電極、壓電薄膜、上電極的三明治結(jié)構(gòu)中反射形成駐波諧振。

TI BAW諧振器技術(shù)中心層是壓電材料。當(dāng)為該器件施加頻率，會導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)震動，此時，層結(jié)構(gòu)將捕獲產(chǎn)生的能量，BAW諧振器的關(guān)鍵屬性是具備存儲結(jié)構(gòu)內(nèi)的最大聲能，用于獲得高電氣Q因子值。

順著5G高頻趨勢 BAW有望在2022年取代SAW

隨著移動設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)頻段數(shù)量的支持不斷升級，RF射頻前端的關(guān)鍵部分一一濾波器市場前景廣被看好。

隨著多頻段、載波聚合和共存干擾的需求及要求愈發(fā)嚴(yán)格，濾波器在可調(diào)試寬帶技術(shù)尚不成熟的情況下，個數(shù)會明顯增加。通常來說，多個頻段需要多個濾波器進(jìn)行前端射頻信號的處理。

在技術(shù)層面，濾波器在RF射頻前端的重要性也日漸凸顯。濾波器的職責(zé)，主要是讓頻帶內(nèi)的有用信號通過天線到達(dá)蜂窩基站，并濾除掉頻帶外的雜散信號。這些“雜散”信號包括來自附近頻段的信號干擾，就像我們聽收音機(jī)時，在某個頻段會偶爾摻雜進(jìn)來其他頻道的信號，這就是濾波器”失職“所造成。又比如，我們在打電話時，偶爾會斷線或者聲音不清晰等，也多少跟濾波器的作用發(fā)揮失常有關(guān)系。

從濾波器技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程來看，SAW(聲表面波)Filter和BAW(體聲波)Filter分別代表著不同階段的技術(shù)方向。

若分析兩種濾波器技術(shù)的優(yōu)劣，首先看SAW濾波器。從SAW Filter的頻率公式f=v/λ(v指速率，約3100m/s，λ指IDT電極之間的間距)可以看出，頻率越高，要求的IDT電極之間的間距越小，而實際上間距不能太小，這就導(dǎo)致SAW Filter并不太適合2.5GHz以上的頻率，而且，很小的間距(高頻率)下電流密度太大(高功率)會導(dǎo)致電遷移和發(fā)熱等問題。而SAW Filter對溫度變化又比較敏感，其性能會隨著溫度升高而變差，雖然可通過在IDT上增加保護(hù)涂層來解決，但增加的涂層又會使工藝變得復(fù)雜，成本也會增加。

其實，SAW濾波器的最好應(yīng)用范圍是2.0GHz以內(nèi)，功率小于33dBm。目前SAW工藝也有了長足的進(jìn)步，甚至可以應(yīng)用到2.4GHz頻段。但相比之下，BAW濾波器最大可以工作到20GHz，功率可以接近40dBm(10W)，且對溫度變化不敏感，具備“插入損耗小、帶外衰減大”等優(yōu)點。并且，BAW Filter的制造工藝也非常符合現(xiàn)有的IC制造工藝，適合和其他的active電路做整體的結(jié)合。不足之處在于，BAW濾波器成本高，另外因為Q值高，量產(chǎn)一致性是個致命的挑戰(zhàn)。

綜上來看，SAW Filter的優(yōu)勢在于成本低，技術(shù)成熟且產(chǎn)品一致性高，不足是工作的頻段有限(2.5GHz以內(nèi))，且對溫度變化敏感。而BAW Filter則剛好相反，優(yōu)勢在于可在高達(dá)20GHz的高頻工作，對溫度變化不敏感，插入損耗小，帶外衰減大，不足則在于成本高、一致性差。但從整體技術(shù)發(fā)展趨勢來看，BAW Filter是用于接替SAW Filter的新一代濾波器技術(shù)，并已經(jīng)開始應(yīng)用于蘋果手機(jī)等高端移動設(shè)備中。

由于BAW的結(jié)構(gòu)分BAW—SMR和FBAR，因此BAW-SMR和FBAR作為BAW的分支，同樣具備BAW的所有優(yōu)點，特別是FBAR濾波器技術(shù)備受國際大廠青睞。BAW Filter在高端智能手機(jī)上的應(yīng)用正在成為趨勢，不過這并不說明SAW Filter就完全失去了市場。相反，在一定時期內(nèi)，SAW仍將占據(jù)中低端市場絕大部分市場份額，除了移動通信領(lǐng)域，2.4G Wi-Fi傳輸對于SAW的需求依然相當(dāng)大，這幾年依然會有可觀的市場占有率。

BAW并不會完全取代SAW，二者會分別在中高頻和低頻發(fā)揮出最佳的性能優(yōu)勢，并長期并存。相比于SAW，BAW的優(yōu)勢在于中高頻段的性能優(yōu)勢，如更小的插入損耗、更高的帶外抑制等。但近幾年，SAW的工藝也在不斷提升，如高品質(zhì)因素SAW以及溫度補(bǔ)償SAW等。簡言之，2GHz以下SAW的市場占有率仍比較大，但2GHz以上BAW的市場占有率會比較高。

用于計時的TI BAW諧振器技術(shù)

了解TI的體聲波時鐘技術(shù)如何降低振動并簡化下一代通信系統(tǒng)中的設(shè)計。下圖顯示了分組交換電信網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)，其中包括5G無線基礎(chǔ)設(shè)施和400-Gbps交換機(jī)以及在網(wǎng)絡(luò)邊緣及其核心之間傳輸數(shù)據(jù)的路由器。

分組交換電信網(wǎng)絡(luò)

BAW諧振器是一種高品質(zhì)因數(shù)（高Q值）諧振器，它取代了網(wǎng)絡(luò)同步器IC中常見的傳統(tǒng)電感器 -電容器振蕩器。它是一種類似于石英晶體的薄膜諧振器，夾在金屬薄膜和其他層之間，以限制機(jī)械能。結(jié)果實現(xiàn)了無比強(qiáng)大性能的高-Q，超低噪聲諧振器。

為什么這種性能對5G和400-Gbps網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要？400-Gbps收發(fā)器使用四級脈沖幅度調(diào)制（PAM-4）方案來傳輸數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的非歸零調(diào)制方案相比，該數(shù)據(jù)調(diào)制方案在相同帶寬上實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。像光互聯(lián)網(wǎng)論壇通用電氣接口和電氣和電子工程師協(xié)會802.3bs這樣的400-Gbps標(biāo)準(zhǔn)對PAM-4發(fā)射機(jī)具有非常嚴(yán)格的發(fā)射振動需求，僅將整個發(fā)射機(jī)抖動的一小部分分配給網(wǎng)絡(luò)同步器生成 參考時鐘。采用56G PAM-4串行器/解串器（SerDes）解決方案的交換機(jī)應(yīng)用專用IC供應(yīng)商要求在12 kHz至20 MHz頻段內(nèi)最大集成參考時鐘抖動為150 fs均方根（RMS）。采用TI BAW諧振器技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)同步器時鐘，例如LMK05318，通常具有小于60 fs（156.25-MHz載波）的集成RMS抖動（12 kHz至20 MHz），如圖所示。這種性能水平可以幫助設(shè)計人員為他們的系統(tǒng)提供面對未來的保障。

來自LMK05318網(wǎng)絡(luò)同步器時鐘的156.25 MHz輸出時鐘

現(xiàn)在，關(guān)于5G應(yīng)用中的無線電，5G新無線電標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了低于6 GHz的新頻帶，并擴(kuò)展到毫米波頻率。雖然低于6 GHz是現(xiàn)有長期演進(jìn)（LTE） - 高級功能的進(jìn)步，但真正的挑戰(zhàn)在于毫米波設(shè)計，其中更多連續(xù)帶寬可用于傳輸大量數(shù)據(jù)。參考時鐘損傷（例如相位噪聲）可能導(dǎo)致調(diào)制信號失真，這在毫米波設(shè)計的較高頻率和較寬帶寬特性中成為問題。

信號質(zhì)量的特征在于系統(tǒng)的誤差矢量幅度，參考時鐘的相位噪聲對它起主要影響。由于更加密集的調(diào)制方案計劃用于5G（目前從256個正交幅度調(diào)制 [QAM] ，未來高達(dá)1, 024個QAM），對誤差矢量幅度的要求變得越來越嚴(yán)格。因此，來自網(wǎng)絡(luò)同步器的低噪聲參考時鐘對于確保最佳系統(tǒng)性能至關(guān)重要。

數(shù)據(jù)已成為普遍需求

想象一下這種可能性：醫(yī)生可以通過無線網(wǎng)絡(luò)實時檢查生命體征，因此患有心臟病的新生兒無需留在醫(yī)院，在家即可進(jìn)行治療?；蛘撸r(nóng)民可以使用增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)來遠(yuǎn)程監(jiān)控牲畜或檢查田地的狀況。

每天發(fā)送和接收大量有線或無線數(shù)據(jù)對我們的日常生活產(chǎn)生著重大影響，并在高度互聯(lián)的世界中推動著經(jīng)濟(jì)發(fā)展。技術(shù)對于釋放這些機(jī)會至關(guān)重要。

20世紀(jì)是石油和大宗商品時代，而21世紀(jì)則是大數(shù)據(jù)時代。在數(shù)十億計的人和機(jī)器互連的世界中，數(shù)據(jù)流呈指數(shù)級增長，這種增長目前還無上限。

從虛擬健康和智能農(nóng)業(yè)到智能城市和智能工廠，數(shù)十億計的新電子設(shè)備將互聯(lián)起來，作為數(shù)據(jù)來源提供并使用這些數(shù)據(jù)。每天通過分析由工廠傳感器產(chǎn)生的數(shù)以萬億字節(jié)（Terabytes）的數(shù)據(jù)，以提高生產(chǎn)線的效率。今天由半自主設(shè)備收集的數(shù)據(jù)將在未來實現(xiàn)更多的自主權(quán)。自動化樓宇將幫助我們提高生產(chǎn)力，讓我們的生活更加環(huán)保。

通信和數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)設(shè)施將提供有用、可行且有價值的數(shù)據(jù)，為市場中的領(lǐng)導(dǎo)者以及在信息高速公路行進(jìn)的數(shù)十億計的其他人服務(wù)。

在不遠(yuǎn)的將來，如果您無法訪問數(shù)據(jù)，您的生活將受限，就像無法獲得電力一樣。

突破性新型TI體聲波（BAW）技術(shù)將為有線和無線系統(tǒng)提供更潔凈的計時參考。基于TI BAW技術(shù)增強(qiáng)了對Zigbee?技術(shù)、低功耗藍(lán)牙和Wi-Fi?技術(shù)的無線解決方案性能和易用性的支持標(biāo)準(zhǔn)，并為下一代無處不在的連通性鋪平了道路。