如果石英晶體單元與振盪電路之間的匹配度不佳，可能造成各種問題，例如無法起振、頻率誤差太大而不符需求、或是頻率不穩定等現象；此外，輸出頻率也可能因電源電壓或溫度的變化改變誤差範圍，或造成振盪動作的停止。這些問題若在量產後才發現，將會對公司的信譽造成很大的傷害，因此在量產前進行石英振盪電路的迴路分析是相當重要的步驟。產品開發商可委託石英製造商進行此項匹配度評估作業，包括頻率容許誤差（Frequency Tolerance）、驅動功率（Driver Level, D.L.）、負性阻抗（-R）等量測，並提出最佳化的負載電容配置建議。

不過，會選用石英晶體元並配置振盪電路，通常是技術較成熟或生產量大的系統。對於在設計初期、少量生產或技術規格未定的設計案來說，石英振盪器（石英振盪模組）會是更有優勢的選擇，因為此類元件只需供電即可提供穩定的頻率，不需再做迴路分析或最佳化的調整，因此可以有效縮短開發時間。這類的振盪器有多種類型，分別可以滿足產品對高精度、高彈性、低EMI或高頻的個別需求，以下將介紹石英振盪器的類型及特性。

石英振盪器的四大類型

石英振盪器其實是由石英製造商專門開發出來的石英振盪模組，也就是將石英晶體單元與負責驅動的振盪電路或IC晶片整合安裝在同一個積層陶瓷電容器封裝內，再透過焊接方式，在上方以金屬製外蓋（Lid）密封而成。此類振盪器為主動式元件，具備待機功能，可透過控制端子來停止內部的迴路動作及振盪輸出。

《圖一　石英振盪器的封裝架構圖》 Epson Toyocom SPXO SG-310構造圖

相較於石英晶體單元輸出類比式的弦波，石英振盪器的輸出模式為數位式的方波。透過對輸出端輸出準位及輸出波型的規格定義，能夠直接驅動CMOS、LVPECL、LVDS及TTL等數位介面。這種整合型的石英振盪器，在價格上自然會比石英晶體單元還高，其優點在於使用者不需再擔心振盪電路與振盪元件之間的匹配度，並能夠穩定地獲得所需的頻率。

依石英振盪器的精確度及功能，大致上可分為以下四種類型：

簡單封裝石英振盪器（SPXO）

SPXO（Simple Packaged Crystal Oscillator）是最單純的一般性石英振盪器，也就是不會針對溫度進行補償處理或控制，其頻率溫度特性主要由內部的石英晶體單元本身的特性所決定，而頻率穩定性則在±50～±100×10-6左右。

電壓控制石英振盪器（VCXO）

VCXO（Voltage Controlled Crystal Oscillator）可透過外部的控制電壓來調整輸出的頻率，最常應用於通訊設備訊號接收裝置（如基地台）基頻中的頻率合成器。除了無線及網路設備外，在光纖、SATA、PCI Express等高速傳輸介面中的訊號產生器也會用得到VCXO。此外，它在電子音樂中被用於實現變調的功能。

溫度補償石英振盪器（TCXO）

TCXO的特點在於其內部的振盪電路中增加了溫度感測器與補償電路，能夠減少環境溫度變化對頻率所造成的影響，進而能在較寬的溫度範圍內工作，並能將頻率穩定性提升到±0.5～±2.5×10-6左右。在應用上，GPS定位裝置為了獲取微弱的1575.42MHz衛星頻率，一般都會採用TCXO。

《圖二　TCXO針對溫度進行補償，以減少環境溫度變化對頻率所造成的影響》

另一種衍生類型為VC-TCXO，也就是除了溫度補償電路外，還能透過外部電壓來調整輸出頻率。這類元件最常被用在手機中的射頻段。尤其是今日的3G手機，為了提供穩定且多頻的頻率輸出，幾乎都會配置一顆VC-TCXO。

附恆溫槽之石英振盪器（OCXO）

OCXO是將石英振盪器安置在一恆溫槽中，讓振盪器保持在固定的溫度，以將周圍環境的溫度變化對輸出頻率的影響?至最低。其頻率穩定性在±1×10-7ppm～5×10-10左右，因此對於需要非常精準之時脈參考源的應用來說，如局端基地台或很精準的量測儀器，往往會要求採用OCXO。

特殊應用型石英振盪器

一些特定的應用對於石英振盪器會有不同的特性需求，以下將介紹四種特殊應用型的石英振盪器：

可程式化振盪器（Programmable OSC）

採用石英晶體振盪器的最佳化振盪電路，在設計與製程調整上需要一定的開發時間，如果遇到特殊頻率應用，開發時間則需要更長。在此情況下，建議可選擇使用可程式化振盪器來符合產品開發時程上的需求。

可程式化振盪器內建鎖相迴路（Phase-locked loop；PLL），可實現倍頻及除頻的功能，因而可透過PLL電路來設定需求的頻率，能夠在較短的交期內獲得目標頻率值，進而有效縮短設計時程。不過，因其電路構造上的原因，可能無法做為要求低抖動率的資?通訊裝置之時脈元件使用。

附展頻功能之石英振盪器（Spread Spectrum OSC）

電子系統在工作時會釋出電磁波，進而對其他電路或電子元件產生電磁干擾（EMI）。在今日複雜的電路板環境中，如何降低電磁干擾已是工程師需妥善處理的重要課題。美國聯邦通訊委員會（FCC）更針對消費性電子產品制定了幅射放射相容性標準，讓電路設計的要求更高也更為困難。

今日電子系統採用的時脈愈來愈高，這意味著更高的諧波頻率。在降低EMI的作法上，常見的有審慎規劃電路或基板的佈局、加上能夠防止基板釋出電磁波的屏蔽、使用具有電磁波吸收特性之材?，或採取EMI濾波策略等措施。然而，這些方法不但費時，也未必能夠充分發揮效果。另一個有效的對策則是採用附展頻功能之石英振盪器。

附展頻功能之石英振盪器也稱低EMI振盪器，它透過對振盪器本身的中央時脈進行展頻，能夠降低特定頻率的峰值能量，進而能達到FCC的要求。不過，展頻作法會將功率向下壓，因而會造成精準度的下降。在應用上，影像相關的產品，如投影機，為了避免因EMI而造成影像畫面的失真，會需要這種解決方案。

表面聲波振盪器（SAW OSC）

表面聲波振盪器內部的石英晶體單元採用表面聲波共振技術，也就是在晶體單元的表面配置電極，並透過電極間隔距離來決定頻率。一般的AT型晶體單元若要獲得更高的頻率，必須降低石英元件的厚度，但這在加工上並不容易達成。

今日的AT型元件最高僅能提供數十MHz的頻率，但表面聲波晶體單元能夠得到極高頻的振盪頻率，而且不需改變元件的厚度，只要透過平版印刷加工即可實現高頻的需求。

當頻率的抖動過大時，容易造成封包流失的問題。因為不需要使用泛音電路或倍頻電路，表面聲波振盪器的另一特性即是抖動率低且能夠獲得穩定的高頻率，因而極適合做為PCI Express、FB-DIMM、Gb-Ethernet等高速傳輸介面的時脈元件使用。除CMOS 輸出外，亦有最高可對應至700MHz 的高頻率之差動輸出（LVPECL 及LVDS）之產品。市面上已有表面聲波振盪器能提供100～700MHz的高頻輸出。

多重輸出振盪器（Multi-Output OSC）

多重輸出振盪器為一種能夠透過單一封裝，?進?從kHz頻帶到100MHz 左右的廣範圍輸出以及多重頻率輸出的振盪器。它可用於同時需要多個時脈的裝置之中，有效減少振盪器的使用數量，進而有助於裝置的小型化。一些多重輸出振盪器也可透過外部的控制端子?選擇輸出頻率。

結論

石英振盪器的單價雖然比石英晶體單元來得高，但其優勢是不需針對振盪電路的最佳化去花費心思，能有效縮短設計的時程。一些針對特定應用開發的石英振盪器，更能滿足彈性、低EMI、高頻輸出或多重輸出等特殊需求，是協助產品設計者簡化設計的有用元件。

當然，為了降低成本，當產品的規格成熟，而且產量很大時，廠商往往會改採低單價的石英晶體單元，並嘗試開發合適的振盪電路。不過，石英振盪器除了是設計初期的重要選擇，對於一些應用來說也是必要的元件，例如在GPS接收器中使用TCXO振盪器。這類應用因要求極高的精準度，採用石英晶體單元很難做到，因此市場上發展已久，TCXO的取代方案仍然不多。

在產品特性上，各類型振盪器的規格也不斷提升，例如SPXO一般精準度為±50～±100×10-6，但市場上也已出現±15～±20×10-6的高精準度產品。在尺寸上，石英振盪器也持續朝小型化發展，最小的尺寸已可做到2.0×1.6mm，新一代的元件甚至可做到1.6×1.2mm，其目標市場則是整合到手機平台的SiP模組當中。

本文為讀者深入探討石英振盪器的設計原理、市場分析、以及一般常見的規格尺寸等。近期以來微機電系統（MEMS）的話題相當熱門，不僅政府表態支持，企業亦爭相探討投入MEMS產業的可能性。下篇文章將會針對QMEMS技術以及其產品應用做一詳細且深入的介紹，敬請期待！

---作者任職於台灣愛普生科技電子零件事業群---