【產業新知】Epson高頻時脈元件產品特性和技術介紹 — 高頻基本波石英晶體振盪器

高頻時脈元件產品特性和技術介紹，文：邱秉毅

愛普生高頻基本波振盪器，實現超低相位抖動和高信賴度
高頻基本波石英晶體振盪器(High Frequency Fundamental Crystal Oscillator)：
傳統石英晶體振盪器會隨輸出時脈頻率信號增高時，其內部所搭載AT-Cut石英晶體厚度需要透過研磨或蝕刻，將石英晶體共振區透過薄型化製程處理，隨著日新愈益各種高速資料串流信號所需特定高頻時脈信號源，所對應的石英晶體持續使用傳統機械加工製程愈漸困難。

石英晶體厚度控制和其振盪頻率間關係，請參考 (圖一)。高頻基本波石英晶體透過反向蝕刻技術處理 (Inverted MESA)，使石英晶體能夠達成基本波振盪模式的高頻輸出，它不會因為石英晶體因傳統高頻薄型化製程，犧牲了石英晶體元件的抗振強度。

(圖一) 石英晶體厚度控制和其振盪頻率間關係

高頻基本波 (HFF) 振盪優勢：石英晶體元件採用基本波設計，高頻基本波晶體振盪電路穩定性非常高，且可有效抑制相位噪音或是抖動特性。

  
(圖二) 提高了高速數據傳輸下封包資料的穩定

一、高頻基本波 (High Frequency Fundamental) 技術：

石英晶體設計厚度決定輸出頻率高、低，當輸出頻率越高時石英晶體厚度越薄，但受限機械加工困難度(晶體厚度越薄越容易於組裝或是零件落下時破裂)設計時會利用石英振盪三倍頻模式或特定基數倍頻特性 (圖三)，取得高頻振盪信號輸出設計方式。

考量產品耐用性和低相位抖動特性，愛普生研發高頻基本波振盪器相關製程技術，以石英晶體振盪信號頻譜中的主振基頻，為信號源進行放大，同時採用反向蝕刻製造技術 (圖一)，透過蝕刻將石英晶體元件振盪區進行厚度薄化加工，使晶體特定振盪區厚度控制達到輸出頻率，如此實現高頻基本波元件設計和製造。

(圖三) 特定基數倍頻特性

二、高頻基本波石英晶體特性和先天優勢：

1. 高頻基本波 (High Frequency Fundamental) 石英晶體設計採用基本波，相較於採用三倍頻 (3^rd Over-Tone )振盪波，其石英晶體等效串連電阻 (Equivalent Serial Resistance) 亦約相差三倍，所以，高頻基本波元件設計的振盪信號相較使用三倍頻振盪波，其振盪裕度 ( Negative R ) 設計更優異，振盪器信賴度也更佳。

2. 愛普生石英晶體電極面採用鍍金(Au)原料設計製造，大幅提高晶振零件穩定性和降低經年頻率老化問題。

3. 高頻基本波信號振盪器，相較其它採用PLL電路的高頻振盪器，可以大幅降低信號中諧振波衍生的問題。

4. 推出多款高頻基本波振盪器，控制IC內部已設計LDO，有效降低電源雜訊所造成信號抖動問題 (PSNR)。
5. 實現超低相位噪音、信號抖動，方便高速信號系統設計人員，能夠有更多電路設計裕度。

三、主要差動式外部參考電路設計和輸出信號：
1. LV-PECL

2. LVDS

3. HCSL

四、相關搭載高頻基本波石英晶體振盪器產品圖和參考資料：

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