智慧型手機參考頻率源的解決方案和使用平台(Platform)有很大的依存度。依照平台所使用的參考頻率源種類和數目，可將平台區分為高通(Qualcomm)或非高通平台，例如英特爾(Intel)、聯發科、博通(Broadcom)和輝達(NVIDIA)。
在非高通的平台上面參考頻率源的排列組合較為複雜，在傳統的2G時代主要的參考頻率源為26MHz石英晶體振盪器(Xtal)；在通用行動通訊系統(UMTS)時代，因CDMA的調變，參考頻率必須為2ppm VCTCXO或TCXO。如果平台內納入GNSS接收機就還需要額外一顆0.5ppm TCXO。另外，大部分的應用處理器還需要一顆12MHz的Xtal提供時脈(Clock)。
至於高通平台過去皆是採用單一參考頻率源的設計，若有考量GNSS接收機的應用，則參考頻率源必然是0.5ppm的VCTCXO；若不考量GNSS接收機的應用，則參考頻率源可以放寬為2ppm VCTCXO。
THX獲高通/蘋果青睞
不過，高通在2009年所推出的第八版GNSS韌體和平台已不再採用VCTCXO，轉而使用一顆簡單的Xtal提供所有無線系統的參考時脈。高通、蘋果(Apple)和石英元件供應商目前正積極合作，希望能利用THX(一個晶體振盪器和熱敏電阻封裝在同一個陶瓷或金屬外殼的共振腔內)進一步提升系統的性能。
在高通和蘋果力推下，THX儼然成為下世代的參考頻率源的重要選擇，但THX是否為成熟及具價格競爭力的產品，此問題一直困擾全世界的石英元件廠、手機晶片解決方案和智慧型手機的業者。
本文將對TCXO、Xtal和THX的過去、現在和未來深入剖析，希望提供平台開發商、石英元件廠和智慧型手機業者在技術開發、設計選擇和產品驗證的明確方向。
石英元件發展與AP/GNSS相關
石英元件的發展和演進與手機平台及GNSS接收機息息相關。2G手機所採用的參考頻率源已簡化成一顆Xtal，在3G或長程演進計畫(LTE)仍是採用2ppm的TCXO或VCTCXO。GNSS接收機的部分，由於GNSS訊號是CDMA調變，且訊號功率在抵達天線端時已遠低於環境和熱雜訊的位準，因此GNSS接收機對參考頻率的要求比起其他無線通訊系統嚴格。
參考頻率源的穩定性可降低搜尋視窗(Search Window)，因此有助於改善GNSS首次定位時間(TTFF)。對於自主模式(Autonomous Mode)GNSS接收機在冷開機(Cold Start)狀態下，以0.5ppm TCXO而言，搜尋視窗為±3.3ppm。圖1所示為GNSS在冷開機模式下的搜尋視窗，由此可知TCXO的貢獻度遠大於使用者的運動模式(User Dynamics)。另外，0.5ppm TCXO比傳統的Xtal在TTFF性能上占有絕大的優勢。
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| 圖1 TCXO頻率穩定性對搜尋視窗的貢獻 |
此外，掉星(Loss of Satellites)將造成GNSS頻率擾動(Frequency Perturbation)、震動(Vibration)與週期滑動(Cycle Slip)。而弱訊號擷取(Weak Signal Acquisition)則將造成頻率飄移(Drift)與頻率擾動。至於靈敏度及定位誤差，皆將影響GNSS的頻率飄移率和飄移率時變率。
穩定的參考頻率可維持較好的相關器峰值(Correlation Peak)偵測，較大的頻率飄移會造成相關器峰值模糊化導致偵測變得困難。
Xtal最大優勢為節省成本
高通在2009年發表Xtal解決方案，主要的動機為節省硬體成本。高通開發Xtal解決方案的當時，一顆0.5ppm VCTCXO的報價超過1.5美元；而一顆Xtal的報價則是0.25美元以下。但隨著時空環境的改變，現階段一顆0.5ppm VCTCXO的報價已滑落至0.7美元以下，但一顆Xtal的報價仍在0.2美元左右。在硬體成本的降低上，利用Xtal取代0.5ppm VCTCXO是有效的，但空間並不如當初預期的大。
原本高通VCTCXO參考頻率解決方案需要額外的D型正反器(Flip-Flop)電路穩定類比電壓的訊號，以及RC低通濾波器濾掉高頻雜訊(圖2)。利用一個外部的D型正反器降低電壓調整電路上面的擾動，若不加一個外部的D型正反器，則印刷電路板(PCB)上的雜訊很容易和電壓調整線路上的訊號產生調變，導致輸出頻率擾動影響GNSS訊號的接收。利用一顆Xtal可省去RC濾波器和D型正反器，因此可降低成本和PCB面積。Xtal解決方案也可以免去9.6MHz的脈衝密度調變(PDM)電壓調整訊號遭受到其他雜訊干擾。
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| 圖2 高通VCTCXO解決方案電路 |
降低功率消耗亦為採用Xtal的動力。一般的0.5ppm VCTCXO加上外部的D型正反器的電流約為2.2毫安培(mA)，Xtal所須消耗的功率為數10微安培(μA)，即使再加上PMIC內部的緩衝電路(Buffer)，至少可節省1.5mA的電流消耗。
當頻率位移量超過基頻的數值控制振盪器(NCO)所能補償的範圍時(大約為350ppm)，VCTCXO會遭受由MSM所發出的電壓調整訊號，而此時的輸出頻率會有一個類似小跳動(Micro-jump)的現象產生，此效應非常不利於多重模式無線電訊號的接收，如GNSS、WLAN和藍牙。但Xtal並不會受到電壓調整的控制，因此可適用於所有的無線通訊子系統。
另外，Xtal可取代即時時脈(RTC)的功能進一步降低硬體成本。應用處理器傳統上會配置一顆RTC的振盪器提供修眠模式(Hibernate Mode)時間的維持，大部分的配置都會採用愛普生(Epson)32.768kHz晶體振盪器作為RTC電路的參考頻率。因為Xtal的低功耗特性可取代RTC晶體振盪器，硬體可節省大約0.15美元的成本。
根據第三代合作夥伴計畫(3GPP) 25.105的定義，基地台射頻(RF)和資料的時脈必須來自同一個參考源，如OCXO，且OCXO在全溫度下的誤差必須小於50ppm。只要數據機(Modem)可建立連結並且和基地台保持同步，理論上Xtal的頻率也可以調整到50ppm的精確度，利用Xtal取代RTC時脈可將原始RTC的準確度從數10ppm降到50ppm。利用調校過的Xtal取代既有的RTC有可能實現精確的時間注入(FTI)，進一步降低TTFF的時間和增加靈敏度。
另一方面，利用一顆19.2MHz的Xtal可將參考頻率分享給應用處理器、3G或LTE的手機晶片、GNSS接收機和整合Wi-Fi/藍牙/調頻(FM)收發機使用。Xtal方案可將三顆參考頻率源的原始設計降為一顆低價Xtal，因此可大幅降低硬體成本、PCB面積和電流消耗。
請注意，Xtal先天上具有絕對頻率誤差，且每顆Xtal的頻率對溫度曲線皆不盡相同，若不經校正無法在UMTS手機和GNSS接收機使用。
THX改善Xtal缺點
因此，目前高通、蘋果和石英元件供應商希望能利用THX進一步提升系統性能。高通依終端產品的應用定義兩項參考頻率源：一為終端產品不支援GNSS接收機或CDMA2000和其衍生的版本，就用CDMA表示。其二為終端產品支援GNSS接收機時就用GNSS表示。
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| 圖3 單共振腔Xtal(上)與雙共振腔THX(下)架構 |
高通Xtal解決方案實際上是利用一個單共振腔的Xtal，再加上外部的熱敏電阻構成，而THX是由一個雙共振腔Xtal加上內建的熱敏電阻(TH)構成。圖3顯示一顆單共振腔的Xtal和雙共振腔的THX在結構的不同。
理論上高通原始的Xtal解決方案是可行的技術，但在實務上卻遭受到很多考驗。隨著智慧型手機資料傳輸量的增加和豐富的多媒體應用，使智慧型手機PCB上的熱流分布梯度值，以及溫度梯度的時變率變得很大。如可攜式導航裝置(PND)PCB溫度上升率不會超過5℃/min；功能型手機的溫升率則落在15℃/min；但智慧型手機的溫度上升率可達到30℃/min，甚至更高。在這種溫度上升率之下，外部熱敏電阻偵測的實際溫度並不會等於Xtal本體感受溫度，因此利用外部熱敏電阻偵測的溫度和內建的FvT特性曲線估算的Xtal輸出頻率，會有相當大的落差。
在THX的結構中，由於熱敏電阻和Xtal本體位在同一個封裝內，所以在較高的熱暫態下，熱敏電阻偵測的溫度變化和Xtal感受到的實際溫度變化差距不大，比起純Xtal解決方案，THX可更精確估算Xtal輸出頻率，因此達到較佳的通訊系統性能。
THX的唯一缺點為價格。THX要求線性度較佳的熱敏電阻，再加上額外的封裝測試成本，使THX的售價比Xtal高出許多。
實際上，THX的價格已非常接近2ppm的VCTCXO，若再把量產測試的時間成本，以及開發複雜頻率補償演算法所投入的資源列入考量，則THX並非成功的計畫。
THX能夠成功的另一項充分必要條件就是熱敏電阻的性能，熱敏電阻的阻抗特性如公式1所示。
.......................公式1
其中R是環境溫度為T時的阻抗，環境溫度的單位為絕對溫度K；R0指環境溫度為T0時的阻抗；B則為熱敏電阻的B係數，如Murata熱敏電阻的B係數為4250K。
THX的疊構可分類為H型共振腔和U型共振腔，每一種皆有其優缺點，但是詳細的製程和材料並不在本文的探討範圍。H型共振腔中，Xtal本體和熱敏電阻是連結到共同的陶瓷層(Ceramic Layer)，因此其熱傳導的路徑相同，所以熱敏電阻偵測的溫度變化率會等同於Xtal本體所感受到的。
封裝的金屬蓋直接接到GND平面，可降低THX受到外部金屬元件的影響而導致溫度時變率產生變動。圖4所示為THX的腳位(Pin)和內部的接線圖。
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| 圖4 THX腳位和封裝圖 |
GNSS接收機對THX規範要求
針對THX規格，高通和蘋果定義測試和性能的規範作為石英元件廠檢測THX依據。首先是針對驅動功率依賴性的測試規範(Drive Level Dependency Specification)(表1)。
對FDLD而言，表格欄位中Max-Min為在雙向量測中最大值和最小值的差；對RDLD而言，Max-Min代表(Max-Min)/Min*100%；RDLD即等效串聯阻抗(ESR)的量測。
表格中的Repeatability，係指在雙向量測條件下的可重複性。對FDLD而言，可重複性必須小於0.7ppm；對RDLD而言，可重複性的定義為(ESR2-ESR1)/ESR1*100%，且要小於10%。ESR1是每個驅動位準的第一個量測；ESR2則是每個驅動位準的第二個量測。
DLD的行為可決定一顆Xtal的品質和可靠度，DLD測項主要是量測當驅動位準從0.01μW上升到100μW和從100μW下降到0.01μW時，頻率和ESR量測。DLD特性較差的Xtal會導致頻率的飄移、相位雜訊的惡化、微跳躍和較差的開機穩定性。
第二個THX規範要求，是石英晶體的擾動規格(Crystal Perturbation Specification)，分為規格一與規格二。石英晶體的擾動就是殘餘頻率的穩定度斜率(Residual Frequency Stability Slope)，表2所列為滿足GNSS應用的THX針對殘餘頻率穩定度斜率規範，可供石英業者參考。
每個參數的定義和物理意義為，Residual指和五階多項式(5th Polynomial)曲線近似(Curve Fitting)的差值，五階多項式曲線近似通常代表TCXO的性能。Residual Frequency Stability Slope量測的條件為從-30℃以1℃/min的速率加熱至85℃，每1℃記錄一點FvT值。將所量到的FvT特性曲線和一個用五階多項式曲線近似的值相減，取其差值的斜率。斜率必須小於50ppb/℃。
維持溫度的時變率為1℃/min。將烤箱的溫度在一個5℃的小溫度軌道(Temperature Orbit)上循環，每0.5℃記錄一次FvT點。建議的5℃小軌道溫度循環的區間為30～85℃和85～30℃。
在每一次的加熱/冷卻循環中記錄十一點的FvT值，將每次循環的第一個點除去因此每一個循環會有十個FvT點。將每十點的FvT值減去利用五階多項式曲線近似的值，差值的斜率不得超過50ppb/℃。
石英晶體的擾動一直以來都是石英產業最頭痛的問題，最主要的原因是在石英晶體諧振器內會產生預期之外的偶合模式(Coupling Mode)，此種偶合會導致頻率在FvT特性曲線上產生擾動的現象。當THX的封裝變小(如從3225縮小為2520或2016)時，此種偶合模式會變得更難預測，增加設計難度。
當頻率擾動增加時代表頻率斜率(ppb/℃)也會增加，頻率飄移率也會隨著頻率斜率增加，成等比級數的增加，因而造成GNSS接收機性能衰退。
事實上，石英晶體的擾動規格二就是小溫度軌道的遲滯(Hysteresis)測試，表3所列為小溫度軌道遲滯的測試規格。
測試條件為：烤箱的溫度時變率維持在1℃/min，在一個5℃的小溫度軌道上面每5℃記錄一點FvT值，在此5℃的小溫度軌道上不斷升溫和降溫，每一個升溫/降溫的循環中記錄十一點的FvT，將第一和最後一點移除，因此每一個循環共有九個FvT點，最後，差值的平均就是小溫度軌道遲滯。
所有的石英晶體都會出現遲滯的效應，遲滯就是在相同的溫度之下所量測到的頻率差值。遲滯的效應和石英的切割、溫度的輪廓及石英晶體的製程有關，並對系統造成影響。
遲滯對GNSS接收機產生的影響，包括在工作頻率上面增加頻率的不確定性，將造成搜尋視窗的增加，因而降低TTFF的性能。以及從預期的三階FvT特性曲線飄移，增加頻率的飄移率，並造成擷取靈敏度的降低。同時也會增加演算法對頻率元件的學習時間和不確定性，嚴重的話會造成掉星。