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 〔中篇〕

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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 〔中篇〕

接續，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]，

  我們介绍使用AT型石英晶體元件與倍頻電路(鎖相環電路)的組合而實現高頻輸出的方法。
該種方法可發揮石英晶體元件具有穩定的溫度特性，但也存在著起振石英晶體振盪電路設計較為複雜，及 難以抑制抖動和相位噪音的問題。
若能在使用石英晶體元件的同時以基本波起振高頻訊號，則可以 抑制高諧波，由此實現具有良好的抖動特性和相位噪音特性的輸出訊號。
然而，AT型石英晶體的頻 率取决於石英片厚度，為此需要將石英晶片加工得非常的薄才能起振達到高頻輸出，在加工方法和 機械性强度等方面存在著難以克服限制。
　　本次，我們將對SAW振盪器進行解說。這種振盪器使用了 能夠解决上述各種特性上的問題，並以基本波直接起振達到高频輸出的SAW (Surface Acoustic Wave，表面聲波)諧振器

【1】關於SAW諧振器

   表面聲波 (SAW/Surface Acoustic Wave)與水面上傳播的漣波是相同的原理，主要是一種把能源集中於彈性體表面傳播的漣波，其振幅隨深度的增加而呈指數式衰减。
如圖一所示，彈性表面聲波可 由壓電基片上安装的叉指換能器(IDT/Inter Digital Transducer)產生並檢測得出。
如果把表面聲波的傳 播速度設定為「V」，叉指换能器的周期設定為「λ」，便可通過公式「f =V/λ」求出其頻率「f」。
最適用於SAW元件的頻帶為幾十兆赫至2千兆赫左右，其上限和下限由微電極圖案的分辨率和基片 材料的特性及大小而定。
SAW諧振器(如圖二所示)，可分為單端口和雙端口諧振器兩種。單端口SAW諧振器的中央設置叉指換能器，在其兩側設置反射器。
通過把叉指換能器激勵產生的表面聲波 封閉在兩反射器之間，就能夠獲得具有較高Q值的諧振器。
雙端口SAW諧振器的中央設有兩只用於 輸入和輸出的叉指換能器，在其兩側裝備反射器。
它的工作原理與單端口SAW諧振器相同，也能實 現高Q值。雙端口SAW諧振器的損失較小，是一種頻帶非常窄的帶通濾波器。
它與一個放大器相組 合形 成反饋環迴路後可以簡單起振。
因此，雙端口SAW諧振器與單端口同樣經常被使用，尤其能 在高頻領域發揮真正價值。
雙端口SAW諧振器的所需相位條件因其所使用的振盪電路而不同，所以需要指定諧振頻率中的相位移量為180 ̊或0 ̊。
SAW諧振器

【2】SAW諧振器的特性

   SAW諧振器的振動模式是屬於彈性表面波(如圖三右所示)，其頻率與石英晶片的厚度無關，而由石英晶片上形成的叉指換能器的寬度來決定。
因此，只要改變叉指換能器的圖案，即可應對十兆赫 至幾千兆赫的高頻。
與此相對，AT型石英晶體的振動模式是屬於厚度變型振盪(如圖三左所示)，由石英厚度決定頻率。
由於必須把石英晶片厚度加工的非常的薄，所以AT型石英晶體通常能夠應對的 頻率範圍是以基本波起振時為10MHz至50MHz，以三次諧波起振時為50MHz至150MHz。

   與AT型石英晶體的厚度變型相比，SAW諧振器(表面聲波)還具有以下優點:

   一. 影響主振動模式的振動(噪音)少

   二. 生產製作時將在SAW諧振器的叉指換能器上形成保護膜，所以能忍受附著在膜上的雜質。

   由於這些效果，將SAW諧振器組裝到振盪器時，就能夠實現低抖動特性並避免振盪失效的風險。

   由於導航系統可能用於各種極端溫度變化的環境，因此在停機期間陀螺儀感測器輸出信號的溫度變化穩定性(溫度特性)成為一個極為重要的參數。

   但是，在溫度特性方面，AT型石英晶體具有在常溫範圍內有拐點，呈現三次曲線的溫度特性(如 圖四左所示);SAW諧振器的溫度特性基本為二次曲線(如圖四右所示)。因此，如果需要在較寬的溫 度範圍內保持穩定的特性，AT型石英晶體則更有利。

   關於愛普生在SAW諧振器產品中採用獨特技術進行改善，使二次曲線的變動幅度與原來的溫度特性相比變得更緩(圖四右，黑色實線所示);還能提供類似於AT型石英晶體溫度特性的高精度產品， 在較寬的溫度範圍內保持穩定。
AT型石英晶體、SAW諧振器的振盪模式

圖三. AT型石英晶體、SAW諧振器的振盪模式
AT型石英晶體、SAW諧振器的溫度特性曲線

圖四. AT型石英晶體、SAW諧振器的溫度特性曲線

【3】SAW諧振器的優越特性比較

   以上說明AT型石英晶體和SAW諧振器，對實際市場中所提供的可輸出高頻的振盪器(AT型石英晶 體和鎖相環電路的組合與SAW振盪器)進行比較，可以得出SAW振盪器的優點在於相位噪音與相位抖動特性相對優越和耗電量少之處(如表一所示)。

表一. 相位抖動與耗電流比較(3.3V_LVPECL)
相位抖動與耗電流比較

【3-1】相位噪音特性與相位抖動

鎖相環電路鎖定壓控振盪器(VCO)，以石英起振的高Q值頻率，輸出倍增後的頻率。
因此，相位噪 音特性由石英振盪電路和VCO的兩大因數所決定。
通常，VCO的相位噪音特性低於石英，並將保留 在鎖相環電路的高頻領域，因此將使相位噪音曲線的一部分變大。
而且，頻率倍數也將改變低頻的 相位噪音水平，所以倍數越大相位噪音特性越差。
被稱為低抖動鎖相環電路的產品通過減少VCO噪 音以及設定較小的倍數，實現低相位噪音(如圖五所示)。
相位噪音特性與相位抖動

【3-2】消耗電流

鎖相環振盪器由振盪電路和鎖相環電路組成，一般情况下，鎖相環電路需要消耗更多的電流。
而且，增大信號成份(增幅)是減少相位噪音的有效方法，因此將消耗更多的電流。
設計中常用GHz頻帶 的VCO，這也將增大耗電量。
與此相對比，SAW振盪器能以基本波為振盪源起振高頻，振盪器的電路組成也相對簡單，所以能夠把耗電量控制在更低。

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