数十年来，石英振荡器一直是电子产业里问题很多的零件。它的可靠性早在1943年就受到极大关注，业界发现石英晶体唯有密封于干净、清洁和密闭的封装内才能可靠操作。虽然振荡器封装现已变得更小、更稳定和频率更高，石英晶体的制造方式却与1943年几乎相同。每种新频率都需要切割新的石英晶体、照射X光、研磨叠合、固定和密封至最终封装内，因此石英晶体业界大致上仍在使用1940年代的制造方法来生产石英振荡器。

频率可程式的低抖动时脉产生架构

只要利用精密CMOS制程技术的进步，来制造以IC为基础的新型混合振荡器，许多传统上与高频谐振元件有关的生产复杂性和效能问题都可获得解决。这种新型振荡器把频率固定的低频石英谐振器和以DSP为基础的DSPLL锁相回路架构结合在一起，DSPLL可以设定各种倍频值以便将石英晶体的固定低频率转换为所需的输出频率。这种架构现已能产生10MHz到1.4GHz的高频时脉，且其讯号抖动效能不输给传统的高效能压控石英振荡器。

《图一 以DSPLL为基础的振荡器》

这种架构的优点之一，是它只要使用一颗传统的固定频率石英晶体就能产生范围宽广的低抖动时脉讯号，故不需为每个频率制造不同的HFF石英晶体或SAW谐振器。 HFF石英晶体和SAW谐振器必须维持很大的谐振频率范围以便支援各种客户需求，除了这些制造问题外，还有可靠性与效能方面的问题，(图一)所示的新振荡器架构可以大幅改善这些困扰。

(图二)模组使用固定频率的三阶谐波（third overtone）石英晶体，其封装则采用高温共烧多层陶瓷（high-temperature、co-fired ceramic）。为了回溯相容于现有的振荡器产品，这颗元件还采用业界标准的7×5毫米封装和接脚布局。

《图二 拆掉封装盖的Si550压控石英振荡器模块》

革命性的生产流程

(图三)是为缩短前置作业时间和实现制程最佳化的制造流程，它采用的就是内含DSPLL时脉合成元件的混合振​​荡器。厂商收到客户订单后只需从库存取出原始元件，再将它设为客户要求的频率规格即可出货。这使得订单处理流程从原本极为复杂和需要八周前置作业时间的接单后生产（build-to-order），变成非常简单和仅需一周前置作业时间的接单后设定（program-to -order）。

《图三 可程序石英振荡器的接单后设定流程》

初始频率更精确

振荡器设计只要采用具备高解析度频率合成能力的DSPLL时脉元件，即可消除石英振荡器初始精确度的最大影响变数之一。 HFF压控石英振荡器的初始误差约在数十个PPM以内。 SAW振荡器同样也会受到生产制程对于超薄膜沉积和残留封装应力（residual package stress）的控制能力影响。

DSPLL时脉元件由于整合高解析度频率合成功能，故仅需一个简单步骤就能设定振荡器频率，不像过去需要两个步骤才能完成调谐程序。此外相较于传统元件，以DSPLL为基础的混合振荡器还能将石英谐振器的初始精确度规格放宽为±10000ppm，这能免除原本所需的精密调谐步骤。由于DSPLL时脉元件提供1个ppb以内的设定解析度，因此高频率石英振荡器或压控石英振荡器的初始频率精确度都有可能达到1ppm。

更良好的老化效能

提供适当的拉动范围（pull range）是155MHz之类VHF频带压控石英振荡器采用HFF石英晶体的背后原因。由于振荡器不是由DSPLL架构直接拉动，这种谐振元件很容易用在采用Si5301元件的压控振荡器。 116.4MHz三阶谐波谐振元件的厚度是155MHz基波元件的四倍，故元件的老化效能（aging performance）也会获得同样程度的改善。此模组在典型的十五年寿命周期内约会因为老化而出现±10ppm误差；相形之下，典型的SAW或HFF元件的老化速度约为每年数个ppm。

低抖动时脉讯号

讯号抖动（jitter）是相位杂讯在指定频宽内的积分结果。例如1.24GHz时脉讯号的相位杂讯就如(图四)所示。

《图四 Si550压控石英振荡器在1.24GHz频率的相位噪声》

频率偏移在10kHz以下的相位杂讯效能主要是由晶片内建的石英振荡器决定，频率偏移超过10MHz的杂讯基准主要则由LVPECL输出讯号位准决定。中频的相位杂讯效能是由晶片内建的压控振荡器和相关的锁相回路零件决定。 12kHz到20MHz频宽的相位杂讯积分会得到0.332ps的抖动值，50kHz至80MHz频宽则为0.319ps。

可程式控制斜率

传统的压控石英振荡器都采用变容二极体来调整振荡回路的谐振频率。振荡回路的非线性行为决定了控制斜率（tuning slope）的整体线性程度。控制斜率Kv是以ppm/V为单位进行测量，它直接正比于石英晶体的动态电容C1（motional capacitance）。

相较之下，控制电压（tuning voltage）是由DSPLL元件透过高解析度类比数位转换器将其数位化，再根据所得的数位资料小幅修改频率合成引擎来改变输出频率。由于Kv是倍频系数，厂商可等到振荡器组装完成后再替它设定不同的Vc值。 (图五)就是622.08MHz压控石英振荡器的多组控制斜率曲线。

《图五 以DSPLL为基础的压控振荡器所设定的控制斜率》

这些曲线都是一颗混合振荡器设定不同Kv值后所得的结果。从图中可看出曲线的线性度远超过以变容器为基础的传统压控振荡器，这在3V以下最有用处的部份特别明显。

利用石英谐振器产生多种频率

许多新应用都需要频率值略有差异的多组时脉。传统压控石英振荡器技术必须使用不同的石英晶体或SAW谐振器来产生不同频率，但此做法在所需频率数目超过两个以上时会越来越不稳定。 DSPLL时脉合成元件则能让一个谐振器轻易产生多种输出频率，例如目前已有采用类似图二封装的双频石英振荡器和压控石英振荡器模组，它们只需一颗石英晶体就能产生两种可选择的输出频率。四频石英振荡器和压控石英振荡器模组则会在陶瓷封装上，提供额外接脚以便选择四组不同的输出频率。四频元件和双频元件一样都只需要一颗石英晶体，它们还能选择DSPLL操作频宽内的任​​何一个频率做为输出频率。

结语

拥有高解析度、可程式频率和高效能的新型石英振荡器已经出现，它们能大幅简化生产程序，进而缩短产品供应的前置作业时间。其它效能优势包括更精确的初始频率、不易受产品老化影响和线性压控能力。

（作者任职于Silicon Labs.）