实现高频输出的方法

 

前言

数据传输速度和容量继续增加，以支持流量的持续增长-主要是由于物联网等的普及，对高速网络的需求

通信基础设施正在推动对高频信号源的强劲需求-提供稳定的输出信号。一般来说，对于一个MHz范围的AT切割晶体单元来说，振荡频率为在高频下，晶体芯片的厚度必须减小（因为厚度决定了at切割晶体单元振荡的频率），但在处理方面存在限制方法、机械强度和易振荡性。虽然这取决于加工精度，AT切割晶体的基频限制在70MHz左右。因此，爱普生定位在大约70MHz的高频范围内。产生如此稳定的高频信号不是那么简单，但有四种方法（技术）可以实现高频振荡。在第一种方法中，AT切割晶体单元产生相对可控的晶体20MHz量级的振荡频率与锁相环（PLL）电路相结合产生稳定的高频信号。第二种方法是使用倒置台面式AT切割晶体单元，其中仅使用光刻法减薄晶体的振动部分工艺技术。产生高频稳定信号的第三种方法是使用表面-直接以高频基波振荡的声波（SAW）谐振器。第四个该方法是使用以at切割晶体单元的高阶振动的振动模式（泛音）。本技术说明简要解释了第一种方法，即使用PLL的方法，第二种方法是使用倒置台面型AT切割晶体单元。

 

1.PLL电路和爱普生产品概述：可编程晶体振荡器

1.PLL电路

以下是对PLL电路的解释，高频信号。用于无线通信的半导体技术已经取得了进步，随着包括无线通信组件的设备的传播。在这些技术中，PLL电路技术的创新尤其令人震惊。PLL电路产生与输入参考信号同步的输出信号。与由相位比较器、环路滤波器和压控振荡器组成的基本结构VCO），PLL电路能够产生与输入精确同步的信号。

与倍频电路不同，源信号不用于输出。PLL电路使用

 

VCO以不同于源信号的频率产生同步信号。通过在PLL电路VCO输出和相位比较器之间插入分频器输入，使输入信号和分频信号同步，VCO输出被控制到一个频率，通过将输入频率乘以破乳比而获得。要获得此VCO输出，请执行以下操作在与晶体振荡器相当的精度下，需要改变破乳比，同时使用晶体振荡器或可以产生稳定输入信号的类似组件。这就是频率合成器背后的原理。

应用这一原理，AT切割晶体单元的MHz频带输出被输入到PLL电路，以产生用于无线通信的GHz频带载波的信号。

 

 

 

使用PLL电路产生比输入大很多倍的高频的关键，频率取决于分频器的使用方式。实现n度输出的方法

图1所示的电路配置即为输入频率。如图2所示，在PLL电路I/O之前和之后插入分频电路，可以精确调整

输出频率。

 

提高PLL电路中频率设置分辨率的典型方法包括引入频率倍增器直接位于晶体振荡源之后。但是，使用更高的分割，提高频率设置分辨率的频率导致较低的相位比较频率，这导致PLL响应性和环路增益的下降。这些反过来又对输出波形抖动和相位噪声特性。解决这个问题的方法是使用例如分数PLL。

 

2.整数锁相环和分数锁相环的特性

PLL电路主要分为两类：整数和分数。这两种类型都使用振荡以输出高频信号。以下是对主要特征的解释。

顾名思义，整数PLL能够产生整数输出频率输入频率的倍数。例如，如果你想从1MHz输出100MHz信号

源，分频器计数器设置为100。

 

相反，分数PLL能够产生分数倍数的输出频率输入频率。此电路的好处是它允许您选择任何频率（启用

您可以获得精确的频率设置分辨率）。

 

分数PLL允许精确的频率分辨率设置，初始频率偏差可以这些特性可以精确地控制。

 

然而，缺点是电路设计复杂，IC的尺寸变大这意味着特定的杂散倾向于发生。然而，随着最近的技术进步，正在努力减少虚假信息的发生到目前为止，这一直是使用分数PLL的弱点。

 

3.爱普生产品阵容和产品特点

上面，我们研究了使用PLL电路作为实现高频输出的方法。这些方法的最大特点是能够随意创建所需的频率。In换句话说，这些方法提供了必要的频率，包括高频，当你需要他们。

 

爱普生的SG-8018、SG-8101系列，采用引入的分数PLL电路技术，如上所述，该公司提供了各种尺寸的多样化产品阵容（表1）。我们还提供ROM写入器（SG Writer II）作为一种编程工具，允许客户向SG-8000系列SG-8018、SG-8101系列使用AT切割晶体单元。三次曲线温度特性AT切割晶体单元保持给定的温度稳定性，使我们能够提供具有平滑的频率特性，没有频率跳跃。

（具有重要温度特性的一阶线性振荡器，如硅MEMS振荡器需要电路补偿以在给定温度下保持稳定性，并可能导致频率跳跃的发生。）

此外，尽管使用了PLL电路，SG-820x系列的抖动特性与通用SPXO（约为SG-8101的1/25），工作温度可达+125°C。详细信息请参阅技术说明：可编程振荡器的低抖动技术我们期待着帮助我们的客户体验这些高度准确的特征晶体单元与通过自由频率设置实现的便利性相结合PLL电路技术。

 

表1：推荐的可编程晶体振荡器产品阵容

Model name	Size [mm]	Output	Supply voltage [V]	Output   frequency       range    [MHz]	Frequency tolerance/ Operating temperature [x10^-6/℃ to ℃]
SG-8018CA SG-8018CB SG-8018CE SG-8018CG   SG-8101CA SG-8101CB SG-8101CE   SG-8101CG	CA:7.0×5.0x1.3 CB :5.0x3.2x1.1 CE:3.2x2.5x1.05 CG :2.5×2.0x0.7	CMO5	1.8 2.5 3.3	0.67 to 170	±50/-40 to +105
	CA:7.0x5.0x1.3 CB:5.0x3.2x1.1   CE:3.2x2.5x1.05 CG:2.5x2.0x0.7	CMO5	1.8 2.5   3.3	0.67 to 170	±15/-40 to +85 ±20/-40 to +105 ±50/-40 to +105
SG-8101CGA (AEC-Q100)	2.5x2.0x0.7	CMOS	1.8 2.5   3.3	0.67 to 170	±15/-40 to +85 ±20/-40 to+105 ±50/-40 to+125 ±100/-40 to+125
SG-8200CG SG-8200C]	2.5x2.0x0.74   2.0x1.6x0.6	CMOS	1.8 2.5   3.3	1.2 to 170	±50/-40 to+125
SG-8200CG SG-8200C]	2.5x2.0x0.74 2.0x1.6x0.6	CMOs	1.8 2.5 3.3	1.2 to 170	±15/-40 to +105 ±25/-40 to +125
SG-8201CJA (AEC-Q100)	2.0x1.6x0.6	CMOs	1.8 2.5 3.3	1.2 to 170	±15/-40 to +105 ±25/-40 to +125 ±50/-40 to +125

 

2.倒置台面AT切割晶体单元概述：HFF晶体单元及其特性

1.倒置台面AT切割晶体单元：HFF（高频基波）晶体单元台地是一种具有陡峭墙壁和平坦顶部的地形。半导体产品，如经过处理的晶体管，在观察时呈梯形横截面通常被称为“台面结构”。倒置台面AT切割晶体：HFF晶体单元（以下称为“HFF晶体单元”）同样是一种晶体，其中振荡板的一部分通过形成梯形中空而变薄（图1）。

晶体芯片越薄，频率就越高。然而，基频约为70 MHz通常被认为是稳定批量生产中可获得的最高频率使用机械研磨（芯片厚度约为24微米）的工艺。为了获得更高的频率比AT切割晶体的频率高，更高阶的振动模式（通常是第三阶泛音）通常必须使用（以获得50MHz至150MHz的频率）。然而，需要一个复杂的电路来控制第三泛音或其他振动模式以获得高频。然而，爱普生在通过使用光刻工艺减小振荡厚度的基本模式芯片的一部分只有几微米，而留下的周围更厚，以保持机械强度。

 

2.光刻技术

爱普生可以通过执行精确的使用光刻技术对晶体材料进行微加工。除了HFF晶体单元外，光刻还用于几种晶体单元。例如，它用于在音叉晶体单元上微细加工槽结构。它也被用于制造具有台面结构的AT切割晶体单元。下面，我使用AT切割晶体单元的制造以台面结构为例说明光刻加工技术。理想情况下，表现出厚度剪切振动的晶体，如AT切割晶体，应该只振荡在芯片的中心；周围区域不应振荡。这种效果可以通过以下方式获得通过斜切某些MHz AT切割晶体单元，特别是那些在低频下振荡的晶体单元晶体芯片的边缘，使得边缘和中心的厚度不同。

 

图2示意性地总结了传统的机械加工和光刻处理。在机械加工过程中，晶体芯片是由其自身重量加工的，因此晶体芯片变小，加工变得更加困难，变化增加，影响特点。相比之下光刻处理能够使芯片具有均匀的尺寸和形状，而与芯片尺寸无关。即使对于极小的芯片也可以将变化最小化，可以获得优异的温度特性（图3）。光刻技术同样可用于创建如图1所示的倒置台面结构。这种结构能够在基本模式下进行高频振荡，同时保持芯片的机械强度，使产品性能稳定。

 

3.使用HFF晶体单元的产品和产品特性

表2和表3显示了使用高频振荡HFF晶体单元的爱普生产品基本。表2显示了XO（晶体振荡器）的推荐产品阵容，表图3显示了VCXO（压控晶体振荡器）的推荐产品阵容。VCXO是一种晶体产品，其频率可以通过外部施加的电压来控制。VCXO主要用于蜂窝基站和光传输系统。更高的数据传输速度和更高的容量增加了对更高频率和更多功率的需求稳定的信号源。因此，良好的温度特性和出色的噪音需要诸如高频AT切割晶体所提供的特性。

 

表2:XO推荐产品阵容

Model name	Size [mm ]	Output	Output frequency range [MHz  ]	Supply yoltage [V]Typ	Frequency tolerance/ Operating temperature [x10^-6/℃ to ℃]
SG2016EHN	2.0x1.6x0.63	LV-PECL	25 to 500	2.5    3.3	+/-20/-40 to+85 +/-20/-40 to +105
SG2016VHN	2.0x1.6x0.63	LVDS	25 to 500	1.8    2.5    3.3	+/-20/-40 to +85 +/-20/-40 to +105
SG2016HHN	2.0x1.6x0.63	HCSL	25 to 500	2.5    3.3	+/-20/-40 to+85 +/-20/-40 to +105
SG2016EGN	2.0x1.6x0.63	LV-PECL	25 to 500	2.5    3.3	+/-25/-40 to +85 +/-50/-40 to +85 +/-25/-40 to+105 +/-50/-40 to +105
SG2016VGN     SG2016HGN	2.0x1.6x0.63	LVDS	25 to 500	1.8    2.5    3.3	+/-25/-40 to +85 +/-50/-40 to +85 +/-25/-40 to +105 +/-50/-40 to+105
	2.0x1.6x0.63	HCSL	25 to 500	2.5    3.3	+/-25/-40 to +85 +/-50/-40 to +85 +/-25/-40 to+105 +/-50/-40 to +105
SG2520EHN	2.5x2.0x0.74	LV-PECL	25 to 500	2.5    3.3	+/-20/-40 to+85 +/-20/-40 to+105
SG2520VHN	2.5x2.0x0.74	LVDS	25 to 500	1.8    2.5    3.3	+/-20/-40 to +85 +/-20/-40 to +105
SG2520HHN	2.5x2.0x0.74	HCSL	25 to 500	2.5    3.3	+/-20/-40 to +85 +/-20/-40 to +105
SG2520EGN	2.5x2.0x0.74	LV-PECL	25 to 500	2.5    3.3	+/-25/-40 to +85 +/-50/-40 to +85 +/-25/-40 to +105 +/-50/-40 to +105
SG2520VGN     SG2520HGN	2.5x2.0x0.74	LVDS	25 to 500	1.8    2.5    3.3	+/-25/-40 to +85 +/-50/-40 to +85 +/-25/-40 to+105 +/-50/-40 to +105
	2.5x2.0x0.74	HCSL	25 to 500	2.5    3.3	+/-25/-40 to +85 +/-50/-40 to +85 +/-25/-40 to +105 +/-50/-40 to +105

 

表3:VCXO推荐产品阵容

电源电压：典型值3.3 V。控制电压｜1.65±1.65 V

Mode   name	Size [mm]	Output	Output frequency   range [MHz]	Frequency tolerance       /Operating    temperature    [x10^-6/℃         to ℃]	Absolute pull range [x10^-6] Min.
VG3225EFN         VG5032EFN	3.2x2.5x1.05	LV-PECL	25 to500	+/-50/-40 to 85 +/-50/-40 to 105	+/-50: 25 to42.5 MHz, 50 to85 MHz 100 to 170 MHz +/-20,+/-10: 25 MHz to 250 MHz +/-10: 250 MHz to 500 MHz (+85 ℃ Max.)
	5.0x3.2x1.3	LV-PECL	25 to250	+/-50/-40 to 85 +/-50/-40 to 105	+/-50: 25 to42.5 MHz, 50 to 85 MHz, 100 to 170 MHz +/-20,+/-10: 25 MHz to 250 MHz
VG7050EFN	7.0x5.0x1.5	LV-PECL	25 to250	+/-50/-40 to 85 +/-50/-40 to 105	+/-50: 25 to42.5 MHz, 50 to 85 MHz, 100 to 170 MHz +/-20,+/-10: 25 MHz to 250 MHz
VG3225VFN         VG5032VFN	3.2x2.5x1.05	LVDS	25 to500	+/-50/-40 to 85 +/-50/-40 to 105	+/-50: 25 to 42.5 MHz 50 to 85 MHz 100 to 170 MHz +/-20,+/-10: 25 MHz to 250 MHz +/-10: 250MHz to 500 MHz (+85 ℃ Max.)
	5.0x3.2x1.3	LVDS	25 to250	+/-50/-40 to 85 +/-50/-40 to 105	+/-50: 25 to 42.5 MHz 50 to 85 MHz 100 to 170 MHz +/-20,+/-10 25 MHz to 250 MHz
VG7050VFN	7.0x5.0x1.5	LVDS	25 to250	+/-50/-40 to 85 +/-50/-40 to 105	+/-50: 25to 42.5 MHz 50 to 85 MHz, 100 to 170 MHz +/-20,+/-10: 25 MHz to 250 MHz

 

3.结论

高频信号源对于当今的通信设备和网络至关重要设备，但有多种产生高频输出的电子元件可供选择以满足客户的应用或期望的规格。在本文中，以下方法讨论了电子元件如何提供高频输出：（1）方便的可编程振荡器，可以编程输出期望的频率；（2） AT切割振荡器具有良好的振动温度特性直接在基本模式上。每种产品都有不同的特性，但所有产品的相同之处在于，它们利用了石英晶体的稳定性和准确性。爱普生提供多种晶体产品，几乎可以满足任何应用需求。这个本技术说明的目的是充分解释石英晶体组件的高稳定性希望在人们试图为自己选择最好的电子元件时有用应用程序。