如果石英晶体单元与振荡电路之间的匹配度不佳，可能造成各种问题，例如无法起振、频率误差太大而不符需求、或是频率不稳定等现象；此外，输出频率也可能因电源电压或温度的变化改变误差范围，或造成振荡动作的停止。这些问题若在量产后​​才发现，将会对公司的信誉造成很大的伤害，因此在量产前进行石英振荡电路的回路分析是相当重要的步骤。产品开发商可委托石英制造商进行此项匹配度评估作业，包括频率容许误差（Frequency Tolerance）、驱动功率（Driver Level, DL）、负性阻抗（-R）等量测，并提出最佳化的负载电容配置建议。

不过，会选用石英晶体元并配置振荡电路，通常是技术较成熟或生产量大的系统。对于在设计初期、少量生产或技术规格未定的设计案来说，石英振荡器（石英振荡模组）会是更有优势的选择，因为此类元件只需供电即可提供稳定的频率，不需再做回路分析或最佳化的调整，因此可以有效缩短开发时间。这类的振荡器有多种类型，分别可以满足产品对高精度、高弹性、低EMI或高频的个别需求，以下将介绍石英振荡器的类型及特性。

石英振荡器的四大类型

石英振荡器其实是由石英制造商专门开发出来的石英振荡模组，也就是将石英晶体单元与负责驱动的振荡电路或IC晶片整合安装在同一个积层陶瓷电容器封装内，再透过焊接方式，在上方以金属制外盖（Lid）密封而成。此类振荡器为主动式元件，具备待机功能，可透过控制端子来停止内部的回路动作及振荡输出。

《图一　石英振荡器的封装架构图》 Epson Toyocom SPXO SG-310构造图

相较于石英晶体单元输出类比式的弦波，石英振荡器的输出模式为数位式的方波。透过对输出端输出准位及输出波型的规格定义，能够直接驱动CMOS、LVPECL、LVDS及TTL等数位介面。这种整合型的石英振荡器，在价格上自然会比石英晶体单元还高，其优点在于使用者不需再担心振荡电路与振荡元件之间的匹配度，并能够稳定地获得所需的频率。

依石英振荡器的精确度及功能，大致上可分为以下四种类型：

简单封装石英振荡器（SPXO）

SPXO（Simple Packaged Crystal Oscillator）是最单纯的一般性石英振荡器，也就是不会针对温度进行补偿处理或控制，其频率温度特性主要由内部的石英晶体单元本身的特性所决定，而频率稳定性则在±50～±100×10-6左右。

电压控制石英振荡器（VCXO）

VCXO（Voltage Controlled Crystal Oscillator）可透过外部的控制电压来调整输出的频率，最常应用于通讯设备讯号接收装置（如基地台）基频中的频率合成器。除了无线及网路设备外，在光纤、SATA、PCI Express等高速传输介面中的讯号产生器也会用得到VCXO。此外，它在电子音乐中被用于实现变调的功能。

温度补偿石英振荡器（TCXO）

TCXO的特点在于其内部的振荡电路中增加了温度感测器与补偿电路，能够减少环境温度变化对频率所造成的影响，进而能在较宽的温度范围内工作，并能将频率稳定性提升到±0.5～±2.5×10-6左右。在应用上，GPS定位装置为了获取微弱的1575.42MHz卫星频率，一般都会采用TCXO。

《图二　TCXO针对温度进行补偿，以减少环境温度变化对频率所造成的影响》

另一种衍生类型为VC-TCXO，也就是除了温度补偿电路外，还能透过外部电压来调整输出频率。这类元件最常被用在手机中的射频段。尤其是今日的3G手机，为了提供稳定且多频的频率输出，几乎都会配置一颗VC-TCXO。

附恒温槽之石英振荡器（OCXO）

OCXO是将石英振荡器安置在一恒温槽中，让振荡器保持在固定的温度，以将周围环境的温度变化对输出频率的影响?至最低。其频率稳定性在±1×10-7ppm～5×10-10左右，因此对于需要非常精准之时脉参考源的应用来说，如局端基地台或很精准的量测仪器，往往会要求采用OCXO。

特殊应用型石英振荡器

一些特定的应用对于石英振荡器会有不同的特性需求，以下将介绍四种特殊应用型的石英振荡器：

可程式化振荡器（Programmable OSC）

采用石英晶体振荡器的最佳化振荡电路，在设计与制程调整上需要一定的开发时间，如果遇到特殊频率应用，开发时间则需要更长。在此情况下，建议可选择使用可程式化振荡器来符合产品开发时程上的需求。

可程式化振荡器内建锁相回路（Phase-locked loop；PLL），可实现倍频及除频的功能，因而可透过PLL电路来设定需求的频率，能够在较短的交期内获得目标频率值，进而有效缩短设计时程。不过，因其电路构造上的原因，可能无法做为要求低抖动率的资?通讯装置之时脉元件使用。

附展频功能之石英振荡器（Spread Spectrum OSC）

电子系统在工作时会释出电磁波，进而对其他电路或电子元件产生电磁干扰（EMI）。在今日复杂的电路板环境中，如何降低电磁干扰已是工程师需妥善处理的重要课题。美国联邦通讯委员会（FCC）更针对消费性电子产品制定了幅射放射相容性标准，让电路设计的要求更高也更为困难。

今日电子系统采用的时脉愈来愈高，这意味着更高的谐波频率。在降低EMI的作法上，常见的有审慎规划电路或基板的布局、加上能够防止基板释出电磁波的屏蔽、使用具有电磁波吸收特性之材?，或采取EMI滤波策略等措施。然而，这些方法不但费时，也未必能够充分发挥效果。另一个有效的对策则是采用附展频功能之石英振荡器。

附展频功能之石英振荡器也称低EMI振荡器，它透过对振荡器本身的中央时脉进行展频，能够降低特定频率的峰值能量，进而能达到FCC的要求。不过，展频作法会将功率向下压，因而会造成精准度的下降。在应用上，影像相关的产品，如投影机，为了避免因EMI而造成影像画面的失真，会需要这种解决方案。

表面声波振荡器（SAW OSC）

表面声波振荡器内部的石英晶体单元采用表面声波共振技术，也就是在晶体单元的表面配置电极，并透过电极间隔距离来决定频率。一般的AT型晶体单元若要获得更高的频率，必须降低石英元件的厚度，但这在加工上并不容易达成。

今日的AT型元件最高仅能提供数十MHz的频率，但表面声波晶体单元能够得到极高频的振荡频率，而且不需改变元件的厚度，只要透过平版印刷加工即可实现高频的需求。

当频率的抖动过大时，容易造成封包流失的问题。因为不需要使用泛音电路或倍频电路，表面声波振荡器的另一特性即是抖动率低且能够获得稳定的高频率，因而极适合做为PCI Express、FB-DIMM、Gb-Ethernet等高速传输介面的时脉元件使用。除CMOS 输出外，亦有最高可对应至700MHz 的高频率之差动输出（LVPECL 及LVDS）之产品。市面上已有表面声波振荡器能提供100～700MHz的高频输出。

多重输出振荡器（Multi-Output OSC）

多重输出振荡器为一种能够透过单一封装，?进?从kHz频带到100MHz 左右的广范围输出以及多重频率输出的振荡器。它可用于同时需要多个时脉的装置之中，有效减少振荡器的使用数量，进而有助于装置的小型化。一些多重输出振荡器也可透过外部的控制端子?选择输出频率。

结论

石英振荡器的单价虽然比石英晶体单元来得高，但其优势是不需针对振荡电路的最佳化去花费心思，能有效缩短设计的时程。一些针对特定应用开发的石英振荡器，更能满足弹性、低EMI、高频输出或多重输出等特殊需求，是协助产品设计者简化设计的有用元件。

当然，为了降低成本，当产品的规格成熟，而且产量很大时，厂商往往会改采低单价的石英晶体单元，并尝试开发合适的振荡电路。不过，石英振荡器除了是设计初期的重要选择，对于一些应用来说也是必要的元件，例如在GPS接收器中使用TCXO振荡器。这类应用因要求极高的精准度，采用石英晶体单元很难做到，因此市场上发展已久，TCXO的取代方案仍然不多。

在产品特性上，各类型振荡器的规格也不断提升，例如SPXO一般精准度为±50～±100×10-6，但市场上也已出现±15～±20×10-6的高精准度产品。在尺寸上，石英振荡器也持续朝小型化发展，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，其目标市场则是整合到手机平台的SiP模组当中。

本文为读者深入探讨石英振荡器的设计原理、市场分析、以及一般常见的规格尺寸等。近期以来微机电系统（MEMS）的话题相当热门，不仅政府表态支持，企业亦争相探讨投入MEMS产业的可能性。下篇文章将会针对QMEMS技术以及其产品应用做一详细且深入的介绍，敬请期待！

---作者任职于台湾爱普生科技 电子零件事业群---