如何選擇並有效應用振盪器

同步數位系統的問世，讓原本不起眼的振盪器，成為現代微處理器架構數位系統的核心。振盪器的用途多達上千種，促成相當多種採用歧管諧振器結構的振盪器源和配置。

只是振盪器的選擇還是常常受到忽視，也並未妥善瞭解諧振器的用途，這是因為目前有相當多種諧振器、許多不同的內部放大器，以及若干種溫度穩定機制的原因。這些因素都會影響元件的尺寸、準確度、穩定度和成本，以及在設計中的應用方式。

本文將協助設計人員深入瞭解振盪器的運作、結構和關鍵規格，並說明振盪器如何配合設計的要求。

本文同時也會探討輸出波形、頻率的準確度和穩定度、相位雜訊、抖動、負載和溫度變化、成本，以及振盪器的最佳應用方式，以便創造出成功的設計。

振盪器基本知識

振盪器是一種電子電路，能以需要的頻率來產生週期性波形。通用振盪器的功能方塊圖包含一個放大器，以及一個帶有頻率選擇性回授網路的回授路徑 (圖 1)。若迴路增益在所需的振盪頻率下大於等於 1，而且迴路的移相等於 2p 弧度的倍數，就能產生並維持振盪。這是正回授的條件。

頻率相依性網路可以採用電感-電容 (LC) 或電阻-電容 (RC) 網路，但精密振盪器通常會採用諧振器。每種諧振器都有其優缺點，因此必須適當挑選諧振器的類型。

圖 1：基本振盪器的功能圖包含一個放大器和一個頻率選擇性網路或諧振器，並且採用正回授配置。(圖片來源：DigiKey)

一般常用的諧振器都是石英晶體、表面聲波 (SAW) 濾波器，或是微機電系統 (MEMS)。

這種振盪器首次啟動時，電路中唯一的訊號只有雜訊。當頻率滿足振盪的增益與相位狀態時，雜訊元素會在電路迴路附近循環，而且振幅會因為電路的正回授而逐漸增加。訊號的振幅會一直增加，直到受到放大器的特性或外部自動增益控制 (AGC) 裝置的限制為止。此時可控制振盪器輸出的波形，常見的波形選項有正弦、限幅正弦或邏輯 (“0”或“1”) 輸出。如果選擇邏輯輸出，就必須搭配邏輯系列 (HCMOS、TTL、ECL、LVDS…)。

正弦輸出主要是用於通訊相關應用中的載波和局部振盪器訊號生成，其中光譜純度是主要的考量。正弦波形僅在基頻下具有顯著功率，在諧波頻率下時，僅有微小甚至完全無功率。

振盪器的關鍵規格是頻率穩定度，可依此決定振盪器維持頻率的能力為何。另一個相關的規格為老化，可依此決定振盪器長時間下來 (通常為一年) 的頻率漂移程度。隨著應用速度的提升，振盪器相位的短期變化成為重要的問題。這種短期的相位變化會以振盪器的相位雜訊呈現。相位雜訊是一種頻域規格。等效的時域規格為相位抖動或時間間隔誤差。

諧振器

在基本的振盪器中，回授網路可以是幾種諧振結構的任何一種。最常見的是石英晶體。石英晶體諧振器使用壓電效應。晶體上施加少量電壓會導致晶體變形，而晶體承受力量則會產生電荷。有了這一連串的機電交換作為基礎，振盪器能非常穩定地運作。此效應能讓振盪器以特定的頻率來振盪，而此頻率則與晶體的類型、晶體切割的幾何方向以及晶體的尺寸有關。

晶體會固定在兩個電極之間，形成晶體諧振器的輸入與輸出。在這些條件下，晶體會如同高度選擇性的 LC 電路一樣運作 (圖 2)。請注意，支架上的晶體是一種串聯 RLC 電路，表示其串聯諧振頻率是由模型元件 L_S 以及 C_S 所主導。並聯的電容代表支架與相關配線的電容量。並聯電容 C_P 會對串聯電感 L_S 反應，產生出並聯諧振頻率。在運作過程中，串聯諧振會主導諧振器的運作。晶體的基頻範圍介於 kHz 至大約 200 MHz 之間。

圖 2：石英晶體的等效電路模型。模型元件 L_S 與 C_S 會決定串聯諧振頻率，而 L_S、C_S 與 C_P 則會決定並聯諧振。(圖片來源：DigiKey)

另一種常見的諧振器是表面聲波 (SAW) 元件 (圖 3)。

圖 3：SAW 濾波器／諧振器使用安裝在壓電基板上的叉指式傳感器，在傳感器之間的間隙上產生表面聲波，繼而在輸出端產生頻率相依性響應。(圖片來源：DigiKey)

SAW 濾波器是一種頻率選擇性元件，使用沿著彈性基板傳播的表面聲波。如圖所示，SAW 是使用叉指式傳感器 (IDT) 來產生與偵測，而這種傳感器是由基板上的導電路徑所形成。SAW 濾波器／諧振器的運作頻率範圍介於 10 MHz 至 2 GHz。實際頻率取決於 IDT 元素的尺寸和基板材質的特性。SAW 元件的電路模型與石英晶體類似。SAW 諧振器能以經濟實惠的光刻方式製成，並使用低成本的小型封裝。這些振盪器稱為 SAW 振盪器 (SO)。

本文要探討的最後一項諧振器技術，是以微機電系統 (MEMS) 作為基礎。MEMS 使用標準半導體製程來生產微型機械元件。這些元件的大小介於微米和毫米之間。與高頻音叉類似的諧振器專為在靜電激磁下振動而設計。這些諧振器的晶粒結構結合了可編程的振盪器／控制器 IC (圖 4)。

圖 4：MEMS 振盪器模組在單一封裝內結合了 MEMS 機械結構與振盪器／控制器 IC。(圖片來源：SiTime)

振盪器／驅動器會對 MEMS 結構激磁，並將輸出饋送至分數 N 鎖相迴路 (PLL)，隨後將 MEMS 元件的輸出頻率乘上可編程的係數‘N’。一次性可編程 (OTP) 記憶體會儲存模組配置參數。溫度補償是透過在 PLL 內調整輸出頻率來達成。此外，PLL 也能夠進行編程，為振盪器提供數位控制的頻率輸出。

MEMS 振盪器的最大優點在於，不會受到機械衝擊與振動的影響。在手機、相機以及手錶等行動應用當中，這是個很重要的因素。

振盪器電路類型

模組化振盪器的電路拓撲發展至今已超過數十年，目前有許多技術可以使用。在幾乎每種情況下，改善電路的原因都是為了提高振盪器輸出頻率的準確度與穩定度。前一段中所提供的範例，包含非石英式的 SAW 及 MEMS 振盪器。石英振盪器所用的技術也適用於任何類型的振盪器。這些振盪器的運作額定值均達到 15 pF 負載電容量。負載電容量的變化會影響運作頻率。

這些拓撲的比較基礎是裸石英晶體振盪器 (XO) (圖 5)。這個例子使用邏輯閘實現，並含有變容二極體達到微調。這些簡易振盪器的頻率穩定度介於 20 至 100 ppm。

圖 5：使用邏輯逆變器實現的基本晶體振盪器，必須透過與石英晶體串聯的變容二極體來控制電壓。(圖片來源：DigiKey)

Abracon 的 ASV-10.000MHZ-LCS-T 是一款表面黏著晶體時脈振盪器。此元件具有 HCMOS 邏輯位準的數位輸出。這種振盪器的主要優勢在於低成本，其頻率穩定度為 ±50 ppm，但同系列的其他元件，穩定度規格則介於 20 至 100 ppm。頻率漂移的主要原因是溫度的變化。另一個原因是石英老化，或頻率隨著時間發生變化。老化速率與基本的穩定度成比例。就這個振盪器而言，老化速率為每年 ±5 ppm。晶體振盪器 (XO) 適用於不需達到高頻穩定度的一般用途應用，包括微處理器的時脈來源。

溫度補償式晶體振盪器 (TCXO) 添加電路元素，針對石英振盪器與放大器的溫度相關變化進行補償 (圖 6)。

圖 6：石英諧振器與放大器對溫度很敏感，因此 TCXO 添加溫度感測器與溫度補償網路來矯正頻率的漂移。(圖片來源：DigiKey)

熱敏電阻器等溫度感測器會用來產生矯正電壓；這個電壓會透過適合的網路，施加到與晶體串聯的可變電壓變容二極體，以控制頻率。只要變更石英晶體的電容負載，便能夠做到這點。溫度補償能讓頻率的穩定度提高 20 倍，甚至更多。

Abracon 的 ASTX-H12-10.000MHZ-T 是典型的 TCXO，具有 HCMOS 輸出位準，頻率穩定度為 ±2 ppm。成本大約是基本 XO 的三倍。

另一種穩定溫度的做法是，將振盪器模組放置在溫度受到控制的烘爐中 (圖 7)。此拓撲稱為溫控式晶體振盪器 (OCXO)。

圖 7：OCXO 穩定振盪器溫度的方式是將振盪器放置於烘爐中，並將烘爐的溫度設定為能讓晶體頻率-溫度曲線的斜率等於零的溫度。(圖片來源：DigiKey)

石英振盪器封裝在溫控爐中。烘爐溫度設定為能讓晶體頻率-溫度曲線的斜率等於零的溫度，確保振盪器頻率在溫度小幅變化時仍保持不變，或只改變一點。OCXO 可以將振盪器的穩定度提高一千倍以上。要求精準時序的應用，例如導航系統或高速序列數據通訊等，皆需要使用這類振盪器。

Connor-Winfield 的 DOC050F-010.0M 是一款具有 LVCMOS 輸出位準的 OCXO。此產品具有 ±0.05 ppm 的特定頻率穩定度。在效能提升下，相較於基本晶體振盪器，功耗會因為使用烘爐而跟著提高、尺寸會更大，且成本更高 (約為XO 的 30 至 40 倍)。

前面討論到的 MEMS 振盪器，就是數位控制振盪器 (DCXO) 的一個例子。

SiTime 的 SIT3907AC-23-18NH-12.000000X 是一款基於 MEMS 的 DCXO，具有 LVCMOS 邏輯輸出以及 10 ppm 的頻率穩定度。此元件能夠使用內部的 PLL 對頻率的變化進行編程，其「拉動」範圍介於 ±25 至 ±1600 ppm。

以微電腦控制的晶體振盪器 (MCXO)，頻率穩定度與 OCXO 相當，但封裝更小且功率要求更低。MCXO 有兩種方法可穩定輸出頻率。第一種方法是讓源振盪器在高於期望輸出頻率下運作，並使用脈衝刪除技術來達到期望的輸出頻率。第二種方法是讓內部源振盪器以略低於期望的輸出頻率運作，並將內部直接數位合成器 (DDS) 產生的糾正頻率加至源輸出頻率。

IQD Frequency Products 的 LFMCXO064078BULK 是相容於 HCMOS 的 MCXO，頻率穩定度為 0.05 ppm。此產品系列中包含鎖鍵頻率介於 10 至 50 MHz 的振盪器。實體大小只有 88 mm³，而且在 3.3 V 下只需使用 10 mA 電流，總功耗為 33 mW。

有些應用需要調整振盪器的頻率，此時可透過數位或類比控制方式來調整。類比控制是透過壓控晶體振盪器 (VCXO) 來達成。圖 5 顯示如何對與諧振器串聯的變容二極體施加電壓，並變更負載電容量來改變其頻率，以便對振盪器進行微調。這就是 VCXO 背後的運作原理。

Integrated Device Technology Inc. 的 XLH53V010.000000I 是 VCXO 的一個例子，具有 HCMOS 輸出位準，頻率穩定度為 ±50 ppm。VCXO 的拉動範圍指出，改變控制電壓可達到的最大頻率偏移。振盪器的拉動範圍為 ±50 ppm。標稱輸出頻率為 10 MHz 時，拉動範圍為 ±500 Hz。

諧振器段落所描述的 SAW 振盪器，是另一種高可靠度的低成本振盪器。EPSON 的 XG-1000CA 100.0000M-EBL3 是 SO 的一個例子。這些元件適用於遙控發射器等固定頻率應用。除了提供良好的穩定度與抖動規格外，其最大的優勢是可靠度。

使用適合應用的振盪器

一般來說，使用振盪器作為精密時基的應用，需要使用頻率穩定度較高的元件。因此，與 GPS 有關的應用相當適合使用 OCXO 或 MCXO 型振盪器。在需要阻絕衝擊與振動的應用中，表面聲波振盪器 (SO) 是最佳的選擇。高速序列介面的時脈則要求較低的時序抖動。所有設計都需要考慮成本因素，而且頻率的穩定度通常也會影響成本。其他像是尺寸或功率要求等因素，則取決於元件和使用的技術。可能需要在工程設計上做出取捨。表 1 對本文所述之振盪器關鍵規格進行比較，可協助您聚焦於振盪器各自的特點與優勢。

註：

1. 根據相位雜訊計算的估計值
2. 啟動／穩定狀態

表 1：比較多種振盪器所使用的典型參數。應根據設計要求和其他因素 (如成本與設計時的可用性) 來選擇各個參數。(表格來源：DigiKey)

表中的振盪器按頻率穩定度排序。請注意，本文使用了特定的輸出頻率，但每個型號系列的振盪器都提供多種輸出頻率。

結論

深入瞭解振盪器的結構及運作，能幫助設計人員準確鎖定適合其應用要求的振盪器。針對設計專案選擇振盪器時，總是免不了在成本、功率、空間、穩定度及準確度之間進行工程方面的取捨。不過，現今振盪器的選擇十分豐富，藉由現成的解決方案就可大幅降低取捨的困難。