一直以來日本EPSON晶體公司,都是我國甚至全亞洲主要的頻率元件合作商,50%以上的用戶都是選擇使用EPSON Oscillator或者晶體,因為EPSON曾在2010年獲得全球晶體制造商排行第一名.其制造晶體振蕩器的技術,也已達到領先的地步,近年來,EPSON公司一直在攻克PLL電路高頻輸出的實現方法,目前已成功應用到生產制造中,高端產品的”新陳代謝”促進電子元件行業不斷的突破發展.

由于電影和其他內容傳送服務的普及,數據傳輸速度和數量不斷增加,以支持流經互聯網骨干網的流量不斷增長.對高速通信基礎設施的需求推動了對提供穩定輸出信號的高頻參考信號源的強烈需求.一般來說,對于在高頻下振蕩的MHz切割晶體單元,晶體芯片的厚度必須減小(因為厚度決定了AT切割晶體單元振蕩的頻率)但是有限制關于加工方法,機械強度和易振性.雖然它取決于加工精度,但60MHz是對AT切割晶體的基頻的限制.因此,愛普生定位超過60MHz作為高頻范圍.產生這種穩定的高頻參考信號并不是那么簡單,但愛普生有四種方法(技術)來實現高頻振蕩.

在第一種方法中,產生大約20MHz的相對可管理的振蕩頻率的AT切割晶體單元與倍頻器電路或鎖相環(PLL)電路組合以產生穩定的高頻參考信號.產生高頻,穩定參考信號的第二種方法是使用表面聲波(SAW)諧振器,它以高頻基頻直接振蕩.第三種方法是使用倒置-mesa型AT切割石英晶體單元,其中僅使用Epson的QMEMS工藝技術減薄晶體的振動部分.第四種方法是使用以AT切割晶體單元的高階振動的振動模式(泛音).這些技術說明提供了第一種方法的概要說明,使用倍頻器電路的方法(這里,乘法器電路是指提取諧波分量的模擬乘法器)和PLL電路.

1.倍頻電路提供n度的高頻輸出

倍頻器電路是將特定頻率的電信號轉換為增加到第n度的高頻的電路.利用來自典型振蕩電路的輸出信號,形成一定水平的Tr,Tf,Voh和Vol產生包含諧波分量的波形.倍頻器電路有意地產生強調來自這些諧波的第n個分量的信號,之后使用濾波器來提取第n個分量.使用諧波分量可實現比PLL更低抖動的輸出頻率.但是,當使用僅提取n次諧波的濾波器時,必須使用窄帶寬/帶通濾波器(BPF)來抑制低(n/2和更低)信號分量(子諧波)并限制抖動.此外,在選擇晶體單元時和設計振蕩電路時必須小心,以便源信號不會在n次諧波附近產生雜散信號.因此,用于獲得高頻的產品中使用的技術通常涉及PLL電路.

2.PLL電路

以下是PLL電路的說明,PLL電路是產生穩定的高頻信號的另一種基本技術.隨著包括無線通信組件的設備的傳播,用于無線通信的半導體技術已經取得了顯著進步.在這些技術中,PLL電路技術的創新尤其令人震驚.PLL電路產生與輸入參考信號同步的輸出信號.利用包括相位比較器,環路濾波器和壓控振蕩器(VCO)的基本結構,PLL電路能夠產生與輸入信號精確同步的信號.與倍頻器電路不同,源信號不用于輸出.PLL電路使用VCO以與源信號不同的頻率產生同步信號.

通過在PLL電路VCO輸出和相位比較器輸入之間插入分頻器,使輸入信號和分頻信號同步,將VCO輸出控制為通過將輸入頻率乘以分頻比而獲得的頻率.為了使該VCO輸出達到與石英晶體振蕩器相當的精度,有必要在使用可產生穩定輸入信號的晶體振蕩器或類似元件的同時改變分頻比.這是頻率合成器背后的原理.應用這一原理,AT切割晶體單元的MHz頻帶輸出被輸入到PLL電路,以產生生成GHz頻帶載波的信號,用于無線通信.

圖1.PLL合成器電路基本結構

圖2.將頻率分頻器插入輸入的示例

使用PLL電路產生比輸入頻率高許多倍的高頻的關鍵在于如何使用分頻器.用于實現輸入頻率的n次輸出的方法是圖1中所示的電路配置.另外,如圖2所示,在PLL電路I/O之前和之后插入分頻電路允許精確調節輸出頻率.用于增加PLL電路中的頻率設定分辨率的典型方法包括在晶體振蕩源之后直接引入分頻器.然而,使用較高的分頻來增加頻率設置分辨率會導致較低的相位比較頻率,這導致PLL響應性和環路增益的下降.這反過來又對輸出波形抖動和相位噪聲特性產生負面影響.解決該問題的方法是使用例如分數PLL.

3.整數PLL和分數PLL的特性

PLL晶振電路主要分為兩種類型:整數和分數.兩種類型都使用振蕩源輸出高頻信號.下面是對主要特性的解釋.顧名思義,整數PLL能夠產生輸入頻率的整數倍的輸出頻率.例如,如果要從1MHz源輸出100MHz信號,則分頻器計數器設置為100.相反,分數PLL能夠產生輸入頻率的分數倍的輸出頻率.該電路的優點在于它允許您選擇任何頻率(使您能夠獲得精確的頻率設置分辨率).分數PLL允許精確的頻率分辨率設置,初始頻率偏差可以通過這些屬性精確控制.

然而,缺點是電路設計復雜并且與整數PLL相比IC的尺寸變大,這意味著傾向于發生特定的寄生.結果,通常認為分數PLL比整數PLL產生更多的相位噪聲.然而,隨著最近的技術進步,正在努力減少寄生的發生,迄今為止這一直是使用分數PLL的弱點.

愛普生產品陣容和產品功能

上面,我們研究了使用PLL電路作為實現高頻輸出的方法.這些方法的最大特點是能夠隨意創建所需頻率.換句話說,這些方法可在您需要時提供必要的頻率,包括高頻.愛普生晶振的SG-8000系列采用上面介紹的整數PLL電路技術,提供各種形狀和尺寸的多樣化產品陣容(表1).我們還提供ROM編寫器(SG-WriterII)作為編程工具,允許客戶將頻率命令寫入SG-8000系列(表2).

SG-8000系列采用AT切割晶體單元.AT切割晶體單元的立方曲線溫度特性保持了給定的溫度穩定性,使我們能夠提供具有平滑頻率特性(無頻率跳變)的產品,這些產品不需要在很寬的范圍內進行基于溫度的補償.(具有顯著溫度特性的一階線性度的石英振蕩器,例如Si-MEMS振蕩器,需要電路補償以維持給定溫度下的穩定性,并且可能導致頻率跳變的發生.)

EPSON Crystal期待幫助客戶體驗這些晶體單元的高精度特性,以及通過PLL電路技術實現的自由頻率設置的便利性.最后,下面提供了關于"倍增"和"PLL"作為用于實現高頻輸出的方法的一些注意事項.乘法:注意電路中產生的次諧波分量,以及低于n/2的分量引起的抖動.PLL:注意環路帶寬,并在連接到后續PLL時注意抖動放大和跟蹤.

表1:可編程晶體振蕩器產品陣容

表2:SG-8000系列編程工具