TI推出基于體聲波(BAW)技術的全新嵌入式處理器和模擬芯片

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

傳統的時鐘使用石英晶體通過晶體振蕩產生電子心跳，實現精確的節奏。但這些晶體的成本昂貴、易磨損，從而影響其精準性，并且開發過程復雜，占用PCB面積較大，種種弊端證明，傳統的石英晶振器件已經不能滿足當今大數據爆發的物聯網時代。

5G時代已經來臨！全球系統之間的大數據傳輸速度日益加快，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布會，宣布推出突破性基于體聲波(BAW)技術的全新嵌入式處理器和模擬芯片。該產品非常適合應用在下一代無線物聯網和通信基礎設施的設計中。

德州儀器本次推出的采用TI BAW技術開發出的兩款設備分別是CC2652RBSimpleLinkTM無線微控制器（MCU）與LMK05318網絡同步器時鐘。它們將幫助系統設計師簡化設計邏輯，縮短產品上市時間，同時實現穩定、簡化和高性能的數據傳輸，從而可以降低潛在的整體開發和系統成本。

體聲波（BAW）技術

BAW（bulk acoustic wave）又被成為體聲波，這項技術其實早就在濾波器中得以應用。但是，在無線通信正朝著高通信頻率、高傳輸速率、高密集復用和高集成化方向發展的過程中，諧振器技術也出現了瓶頸，其中諧振器的集成化是問題的關鍵。在過去，BAW諧振器技術常被用于過濾諸如智能電話之類的通信技術中的信號，而TI則是首次將這項技術用在了集成時鐘功能。TI半導體事業部中國區業務拓展總監吳健鴻介紹：“使用BAW技術做時鐘，最主要的原因，還是因為在數據在高頻進行傳輸時，需要更穩定的濾波，BAW技術在高頻段性能表現是最好的。同時，TI BAW技術基于硅而設計，很容易和其他產品進行對接?！?/p>

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

TI BAW諧振器技術中心層是壓電材料。當為該器件施加頻率，會導致機械結構震動，此時，層結構將捕獲產生的能量，BAW諧振器的關鍵屬性是具備存儲結構內的最大聲能，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

隨著移動設備對網絡頻段數量的支持不斷升級，RF射頻前端的關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嚴格，濾波器在可調試寬帶技術尚不成熟的情況下，個數會明顯增加。通常來說，多個頻段需要多個濾波器進行前端射頻信號的處理。

在技術層面，濾波器在RF射頻前端的重要性也日漸凸顯。濾波器的職責，主要是讓頻帶內的有用信號通過天線到達蜂窩基站，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，就像我們聽收音機時，在某個頻段會偶爾摻雜進來其他頻道的信號，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揮失常有關系。

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

若分析兩種濾波器技術的優劣，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)會導致電遷移和發熱等問題。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上增加保護涂層來解決，但增加的涂層又會使工藝變得復雜，成本也會增加。

其實，SAW濾波器的最好應用范圍是2.0GHz以內，功率小于33dBm。目前SAW工藝也有了長足的進步，甚至可以應用到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”等優點。并且，BAW Filter的制造工藝也非常符合現有的IC制造工藝，適合和其他的active電路做整體的結合。不足之處在于，BAW濾波器成本高，另外因為Q值高，量產一致性是個致命的挑戰。

綜上來看，SAW Filter的優勢在于成本低，技術成熟且產品一致性高，不足是工作的頻段有限(2.5GHz以內)，且對溫度變化敏感。而BAW Filter則剛好相反，優勢在于可在高達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。但從整體技術發展趨勢來看，BAW Filter是用于接替SAW Filter的新一代濾波器技術，并已經開始應用于蘋果手機等高端移動設備中。

由于BAW的結構分BAW—SMR和FBAR，因此BAW-SMR和FBAR作為BAW的分支，同樣具備BAW的所有優點，特別是FBAR濾波器技術備受國際大廠青睞。BAW Filter在高端智能手機上的應用正在成為趨勢，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，SAW仍將占據中低端市場絕大部分市場份額，除了移動通信領域，2.4G Wi-Fi傳輸對于SAW的需求依然相當大，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揮出最佳的性能優勢，并長期并存。相比于SAW，BAW的優勢在于中高頻段的性能優勢，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，如高品質因素SAW以及溫度補償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

了解TI的體聲波時鐘技術如何降低振動并簡化下一代通信系統中的設計。

下圖顯示了分組交換電信網絡生態系統，其中包括5G無線基礎設施和400-Gbps交換機以及在網絡邊緣及其核心之間傳輸數據的路由器。

分組交換電信網絡

BAW諧振器是一種高品質因數（高Q值）諧振器，它取代了網絡同步器IC中常見的傳統電感器 -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，以限制機械能。結果實現了無比強大性能的高-Q，超低噪聲諧振器。

為什么這種性能對5G和400-Gbps網絡至關重要？

400-Gbps收發器使用四級脈沖幅度調制（PAM-4）方案來傳輸數據。與傳統的非歸零調制方案相比，該數據調制方案在相同帶寬上實現更高的數據速率。像光互聯網論壇通用電氣接口和電氣和電子工程師協會802.3bs這樣的400-Gbps標準對PAM-4發射機具有非常嚴格的發射振動需求，僅將整個發射機抖動的一小部分分配給網絡同步器生成 參考時鐘。

采用56G PAM-4串行器/解串器（SerDes）解決方案的交換機應用專用IC供應商要求在12 kHz至20 MHz頻段內最大集成參考時鐘抖動為150 fs均方根（RMS）。采用TI BAW諧振器技術的網絡同步器時鐘，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計人員為他們的系統提供面對未來的保障。

來自LMK05318網絡同步器時鐘的156.25 MHz輸出時鐘

現在，關于5G應用中的無線電，5G新無線電標準規定了低于6 GHz的新頻帶，并擴展到毫米波頻率。雖然低于6 GHz是現有長期演進（LTE） - 高級功能的進步，但真正的挑戰在于毫米波設計，其中更多連續帶寬可用于傳輸大量數據。參考時鐘損傷（例如相位噪聲）可能導致調制信號失真，這在毫米波設計的較高頻率和較寬帶寬特性中成為問題。

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

數據已成為普遍需求

想象一下這種可能性：醫生可以通過無線網絡實時檢查生命體征，因此患有心臟病的新生兒無需留在醫院，在家即可進行治療?；蛘?，農民可以使用增強現實技術來遠程監控牲畜或檢查田地的狀況。

每天發送和接收大量有線或無線數據對我們的日常生活產生著重大影響，并在高度互聯的世界中推動著經濟發展。技術對于釋放這些機會至關重要。

20世紀是石油和大宗商品時代，而21世紀則是大數據時代。在數十億計的人和機器互連的世界中，數據流呈指數級增長，這種增長目前還無上限。

從虛擬健康和智能農業到智能城市和智能工廠，數十億計的新電子設備將互聯起來，作為數據來源提供并使用這些數據。每天通過分析由工廠傳感器產生的數以萬億字節（Terabytes）的數據，以提高生產線的效率。今天由半自主設備收集的數據將在未來實現更多的自主權。自動化樓宇將幫助我們提高生產力，讓我們的生活更加環保。

通信和數據處理基礎設施將提供有用、可行且有價值的數據，為市場中的領導者以及在信息高速公路行進的數十億計的其他人服務。

在不遠的將來，如果您無法訪問數據，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）技術將為有線和無線系統提供更潔凈的計時參考?；赥I BAW技術增強了對Zigbee技術、低功耗藍牙和Wi-Fi技術的無線解決方案性能和易用性的支持標準，并為下一代無處不在的連通性鋪平了道路。

審核編輯：黃飛