數十年來，石英振盪器一直是電子產業裡問題很多的零件。它的可靠性早在1943年就受到極大關注，業界發現石英晶體唯有密封於乾淨、清潔和密閉的封裝內才能可靠操作。雖然振盪器封裝現已變得更小、更穩定和頻率更高，石英晶體的製造方式卻與1943年幾乎相同。每種新頻率都需要切割新的石英晶體、照射X光、研磨疊合、固定和密封至最終封裝內，因此石英晶體業界大致上仍在使用1940年代的製造方法來生產石英振盪器。

頻率可程式的低抖動時脈產生架構

只要利用精密CMOS製程技術的進步，來製造以IC為基礎的新型混合振盪器，許多傳統上與高頻諧振元件有關的生產複雜性和效能問題都可獲得解決。這種新型振盪器把頻率固定的低頻石英諧振器和以DSP為基礎的DSPLL鎖相迴路架構結合在一起，DSPLL可以設定各種倍頻值以便將石英晶體的固定低頻率轉換為所需的輸出頻率。這種架構現已能產生10MHz到1.4GHz的高頻時脈，且其訊號抖動效能不輸給傳統的高效能壓控石英振盪器。

《圖一　以DSPLL為基礎的振盪器》

這種架構的優點之一，是它只要使用一顆傳統的固定頻率石英晶體就能產生範圍寬廣的低抖動時脈訊號，故不需為每個頻率製造不同的HFF石英晶體或SAW諧振器。HFF石英晶體和SAW諧振器必須維持很大的諧振頻率範圍以便支援各種客戶需求，除了這些製造問題外，還有可靠性與效能方面的問題，(圖一)所示的新振盪器架構可以大幅改善這些困擾。

(圖二)模組使用固定頻率的三階諧波（third overtone）石英晶體，其封裝則採用高溫共燒多層陶瓷（high-temperature、co-fired ceramic）。為了回溯相容於現有的振盪器產品，這顆元件還採用業界標準的7×5毫米封裝和接腳佈局。

《圖二　拆掉封裝蓋的Si550壓控石英振盪器模組》

革命性的生產流程

(圖三)是為縮短前置作業時間和實現製程最佳化的製造流程，它採用的就是內含DSPLL時脈合成元件的混合振盪器。廠商收到客戶訂單後只需從庫存取出原始元件，再將它設為客戶要求的頻率規格即可出貨。這使得訂單處理流程從原本極為複雜和需要八週前置作業時間的接單後生產（build-to-order），變成非常簡單和僅需一週前置作業時間的接單後設定（program-to-order）。

《圖三　可程式石英振盪器的接單後設定流程》

初始頻率更精確

振盪器設計只要採用具備高解析度頻率合成能力的DSPLL時脈元件，即可消除石英振盪器初始精確度的最大影響變數之一。HFF壓控石英振盪器的初始誤差約在數十個PPM以內。SAW振盪器同樣也會受到生產製程對於超薄膜沉積和殘留封裝應力（residual package stress）的控制能力影響。

DSPLL時脈元件由於整合高解析度頻率合成功能，故僅需一個簡單步驟就能設定振盪器頻率，不像過去需要兩個步驟才能完成調諧程序。此外相較於傳統元件，以DSPLL為基礎的混合振盪器還能將石英諧振器的初始精確度規格放寬為±10000ppm，這能免除原本所需的精密調諧步驟。由於DSPLL時脈元件提供1個ppb以內的設定解析度，因此高頻率石英振盪器或壓控石英振盪器的初始頻率精確度都有可能達到1ppm。

更良好的老化效能

提供適當的拉動範圍（pull range）是155MHz之類VHF頻帶壓控石英振盪器採用HFF石英晶體的背後原因。由於振盪器不是由DSPLL架構直接拉動，這種諧振元件很容易用在採用Si5301元件的壓控振盪器。116.4MHz三階諧波諧振元件的厚度是155MHz基波元件的四倍，故元件的老化效能（aging performance）也會獲得同樣程度的改善。此模組在典型的十五年壽命週期內約會因為老化而出現±10ppm誤差；相形之下，典型的SAW或HFF元件的老化速度約為每年數個ppm。

低抖動時脈訊號

訊號抖動（jitter）是相位雜訊在指定頻寬內的積分結果。例如1.24GHz時脈訊號的相位雜訊就如(圖四)所示。

《圖四　Si550壓控石英振盪器在1.24GHz頻率的相位雜訊》

頻率偏移在10kHz以下的相位雜訊效能主要是由晶片內建的石英振盪器決定，頻率偏移超過10MHz的雜訊基準主要則由LVPECL輸出訊號位準決定。中頻的相位雜訊效能是由晶片內建的壓控振盪器和相關的鎖相迴路零件決定。12kHz到20MHz頻寬的相位雜訊積分會得到0.332ps的抖動值，50kHz至80MHz頻寬則為0.319ps。

可程式控制斜率

傳統的壓控石英振盪器都採用變容二極體來調整振盪迴路的諧振頻率。振盪迴路的非線性行為決定了控制斜率（tuning slope）的整體線性程度。控制斜率Kv是以ppm/V為單位進行測量，它直接正比於石英晶體的動態電容C1（motional capacitance）。

相較之下，控制電壓（tuning voltage）是由DSPLL元件透過高解析度類比數位轉換器將其數位化，再根據所得的數位資料小幅修改頻率合成引擎來改變輸出頻率。由於Kv是倍頻係數，廠商可等到振盪器組裝完成後再替它設定不同的Vc值。(圖五)就是622.08MHz壓控石英振盪器的多組控制斜率曲線。

《圖五　以DSPLL為基礎的壓控振盪器所設定的控制斜率》

這些曲線都是一顆混合振盪器設定不同Kv值後所得的結果。從圖中可看出曲線的線性度遠超過以變容器為基礎的傳統壓控振盪器，這在3V以下最有用處的部份特別明顯。

利用石英諧振器產生多種頻率

許多新應用都需要頻率值略有差異的多組時脈。傳統壓控石英振盪器技術必須使用不同的石英晶體或SAW諧振器來產生不同頻率，但此做法在所需頻率數目超過兩個以上時會越來越不穩定。DSPLL時脈合成元件則能讓一個諧振器輕易產生多種輸出頻率，例如目前已有採用類似圖二封裝的雙頻石英振盪器和壓控石英振盪器模組，它們只需一顆石英晶體就能產生兩種可選擇的輸出頻率。四頻石英振盪器和壓控石英振盪器模組則會在陶瓷封裝上，提供額外接腳以便選擇四組不同的輸出頻率。四頻元件和雙頻元件一樣都只需要一顆石英晶體，它們還能選擇DSPLL操作頻寬內的任何一個頻率做為輸出頻率。

結語

擁有高解析度、可程式頻率和高效能的新型石英振盪器已經出現，它們能大幅簡化生產程序，進而縮短產品供應的前置作業時間。其它效能優勢包括更精確的初始頻率、不易受產品老化影響和線性壓控能力。

（作者任職於Silicon Labs.）