參考資料來源:
https://www.epson.com.cn/Apps/ed/Crystal/pdf/technology_05.pdf
Epson 技術文介紹 - AN0035 ( Aug, 2022 )
文: 邱秉毅，服務於台灣愛普生科技股份有限公司
電子零件事業部。
愛普生實現高頻、兼顧高信號品質石英振盪器的技術與方法
〔上篇〕
鎖相迴路概略與愛普生產品線
近年，伴隨影像傳輸等普及，主要網路系統中流過的通信量有增無減，通信的高速、大容量化進展 迅速。在這種情况下，高速化通信基礎設施對於高頻且輸出信號穩定的基準訊號源的需求十分强 烈。通常，以MHz頻段的AT型石英晶體獲得高頻振盪時需要將石英晶片加工得很非常薄(晶片厚度 決定輸出頻率高、低)，此部分易造成加工方法、機械强度和起振等方面局限。雖然受限加工精度 的影響，但石英晶體以基本波起振，高頻的上限一般為60MHz左右。因此，愛普生以60MHz以上定 為高頻領域。穩定輸出高頻基準信號並不簡單，愛普生擁有四種技術實現高頻振盪電路設計領域:
一. 採用較易生產製造，內建通用型的20MHz頻段起振頻率的AT型石英晶體，利用倍頻電路或 鎖相環電路(PLL)輸出穩定的高頻基準信號。
二. 採用表面聲波SAW諧振器輸出高頻基準信好，表面聲波SAW諧振器利用彈性表面聲波 (SAW/Surface Acoustic Wave)以基本波，直接起振產生高頻訊號。
三. 運用愛普生所持有的QMEMS技術，製造出僅將振動部分加工變薄的反向台型AT型石英 晶體(Inverted MESA)，以此產品能夠獲得高品質穩定的高頻基準波時脈信號。
四. 採用AT型石英晶體的高頻振動的振動模式(諧波)輸出穩定的高頻基準信號。 本文採用倍頻電路和鎖相電路進行解說。
二. 採用表面聲波SAW諧振器輸出高頻基準信好，表面聲波SAW諧振器利用彈性表面聲波 (SAW/Surface Acoustic Wave)以基本波，直接起振產生高頻訊號。
三. 運用愛普生所持有的QMEMS技術，製造出僅將振動部分加工變薄的反向台型AT型石英 晶體(Inverted MESA)，以此產品能夠獲得高品質穩定的高頻基準波時脈信號。
四. 採用AT型石英晶體的高頻振動的振動模式(諧波)輸出穩定的高頻基準信號。 本文採用倍頻電路和鎖相電路進行解說。
【1】輸出n倍倍頻的高頻電路
倍頻電路是指把某一個頻率的電器信號轉換為n倍高頻的電路。一般的振盪電路輸出信號具有一定的 Tr、Tf、Voh和Vol時，其波形中將包含高諧波成份。倍頻電路利用這些高諧波產生有意加强了 n 次成份的信號，並用濾波器抽出n次成份。由於使用高諧波，因此可以獲得抖動小於鎖相環電路的輸 出頻率。然而，若欲只取出 n 次高諧波，則要求在選擇石英晶體和設計起振電路時需特別注意。例 如需要使用頻带窄、高衰减的帶通濾波器(BPF)，把 n/2 次以下的分諧波衰减掉，以便抑制抖動; 還要使輸入信號在n次高諧波附近不帶噪音(失真)等。因此，為了得到高頻，產品中大多使用鎖相環電路。
【2】鎖相環電路
伴隨搭載無線通信儀器的設備的普及，用於無線通信的半導體集成電路技術有了飛越性的進展。其 中，鎖相環電路技術的進步尤為突出。鎖相環電路產生與輸入的基準信號相同步的輸出信號。該電 路的基本組成是相位檢測器、環路濾波器和壓控振盪器(VCO)。它將正確地產生與輸入信號相同步 的信號。與倍頻電路不同的是，鎖相環電路不直接使用輸入信號製作輸出信號。在鎖相環電路中， 由壓控振盪器(VCO)產生與輸入信號相同頻率的同步信號。
圖一. 鎖相環頻率合成器基本組成
圖二. 輸入、輸出連接分頻器
在鎖相環電路的壓控振盪器輸出和相位檢測器的輸入之間連接分頻器，通過使輸入信號與分頻後的信號相同步，從而將壓控振盪器的輸出頻率控制在分頻倍數的頻率。使用石英晶體振盪器等能夠產 生穩定頻率，並轉換分頻器的分頻數，就能使壓控振盪器輸出達到石英晶體振盪器同等精度且等於 分頻倍數頻率的信號。此為頻率合成器的原理。應用該原理，把AT型石英體輸出的MHz頻帶頻率輸 入到鎖相環頻率合成器，就能夠產生用於無線通信的GHz頻带載波信號。
使用鎖相環頻率合成器獲得大於輸入頻率幾倍的頻率時，分頻器的使用方法是關鍵。獲得輸入頻率 的 N 倍輸出的電路結構(如圖一.所示)。為了對輸出頻率進行精密設定，還可以如圖二所示，在鎖 相環頻率合成器的輸入前及輸出後設置分頻電路。為了提高鎖相環頻率合成器的頻率設定分辨率， 通常把分頻器直接連接在石英晶體振盪器之後。但是，若為了提高頻率設定分辨率而取較大的分頻 數，則將造成用於比較相位的頻率變小，引發鎖相環響應慢、環路增益下降的情况，並對於輸出波 形的抖動和相位噪音特性造成不良影響。為了解决上述問题，也可使用小數分頻鎖相環。
【3】整數分頻鎖相環，與分數分頻鎖相環(除法器/乘法器)特徵
鎖相環電路可分為整數分頻和分數分頻的兩大類。雙方均利用波源輸出高頻，在此說明大特性。整 數分頻鎖相環可以名副其實地產生輸入頻率整數倍的輸出頻率。例如: 希望從1MHz的波源獲得 100MHz的輸出時，分頻器的計數器設定值為100。與此相對，分數分頻鎖相環可以產生輸入頻率分 數倍的輸出頻率。這事實上意味著可以任意選擇頻率，即能够獲得微小的頻率設定分辨率。它可以獲得微小的頻率分辨率，發揮這個特徵可以對初始頻率公差進行精密控制。然而，與上述優點相 反，分數分頻除法器的電路設計複雜，集成電路面積也比整數分頻大，因此容易產生特有的失真， 致使分數分頻的相位噪音與整數分頻相比較差。隨著近幾年技術的發展，分數分頻鎖相環的缺點被不斷改進，失真逐漸减少。
【4】愛普生現行產品線與特點
以上說明了為獲得高頻輸出而採用的鎖相環電路。鎖相環電路的最大特徵是能夠獲得任意的頻率， 即可以獲得包括高頻在内的所需频率。愛普生SG-8101與SG-8018系列(圖三所示)採用先前介绍的整 數分頻鎖相環電路，為了使用者準備各種尺吋:7050、5032、3225、2520。同時我們也準備了特定可 燒錄程式的燒錄工具 ― ROM Writer (Epson SG-Writer II)，用於特定指定頻率或輸出特性，所需對 應資料封包寫入於內建的非揮發性記憶體單元中(如圖四所示)。
圖三. 愛普生SG-8101系列(高階)與SG-8018系列(標準型)，可燒錄式石英振盪器系列
圖四. Epson SG-Writer II 專用燒錄器(右)，和一次可燒錄石英振盪器空白片(左)
如果您有任何產品規格與設計問題時，可洽詢台灣愛普生公司各授權電子零件代理商，或是與我們聯絡。
更多有關 Epson 石英振盪器產品資訊，請參考
https://www5.epsondevice.com/en/products/crystal_o
scillator/#sub02
https://www5.epsondevice.com/en/products/crystal_o
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