Low Jitter technology for Programmable Oscillator

一般來說，定頻式石英晶體振盪器(Simple Package Crystal Oscillator/SPXO)的輸出頻率是由內建石英晶體諧振器來決定，而內建的石英晶體諧振器是專門為每個頻率獨立設計和製造；而可程式化石英晶體振盪器(Programable SPXO/P-SPXO)則可以透過PLL(Phase Locked Loop/鎖相迴路)電路自由選擇輸出頻率。

與SPXO相比，P-SPXO樣品遞交時效可以更短，而且可以透過程式設計以輸出使用者要求的任何頻率。然而，由於PLL電路特性的影響，與SPXO相比，P-SPXO具有較高信號抖動的缺點。

在此技術文件，將會說明愛普生如何克服P-SPXO的相關缺點以及減少信號抖動所做的努力。

【低信號抖動的發展目標】

通常藉由透過設計具有更大SPXO的消耗電流，可以獲得低抖動特性，這是因為提高石英振盪器信號的電壓位準將會增加消耗電流，因此可以改善信噪比(信號/噪音比)，同時也可改善了由雜訊所引起的抖動。然而基於這種設計的權衡，則必須產生更大的消耗電流才能獲得低抖動特性。

為因應上述的權衡條件，我們採用以下公式中的FoM(Fugure of Merit，品質因數)作為參考指標。該公式使用「相位抖動」和「消耗功率」來取代抖動特性和電流消耗的權衡條件，以此訂定規範並標準化。

FoM [dB] = 20 log (Jitter/1[s]) + 10 log (Power/1[mW])

Jitter : 相位抖動(Phase jitter)

Power : 消耗功率(Power consumption)

  愛普生SG-8101系列(P-SPXO)在FoM = -200 dB時具有低抖動特性，而定頻式SPXO在FoM = -240 dB時可擁有更好的抖動性能。

  為了能有效改善信號抖動特性，如何能夠有效降低P-SPXO FoM成為了愛普生產品設計發展的重點，並以FoM = -225 dB 做為新P-SPXO開發目標。而此目標對應於採用整數型PLL電路的低抖動PLL石英振盪器的FoM，但整數型PLL電路僅限於達成內建石英晶體諧振器整數倍的頻率。

  因此，愛普生採用了可自由設置任何頻率的小數型PLL電路來實現整數類型PLL電路特性的FoM目標。

  此外，我們以小型化和高精度為目標，以符合市場趨勢和“高效率(省)、小尺寸(小)，高精度(精)”的製造理念。

  時至今日，我們已具體將面積比降低64%，並將工作溫度範圍從+105°C擴展到+125°C，與目前的SG-8101系列相比，SG-8201系列實現了FoM = -225 dB的設計目標。

  最終，我們成功地打破了這種權衡，開發出此具有低消耗電流和低抖動特性的最新世代SG-8201系列(P-SPXO)，並計劃準備進入商業化量產階段，

圖1. 信號抖動與消耗功率比較

【PLL電路的低抖動技術】

PLL電路(鎖相迴路)，如下圖2所示。

圖2. PLL電路(Phase-Locked Loop鎖相迴路)

  由石英晶體振盪器所產生的參考時脈訊號輸入到PLL電路時，可以根據PLL電路分頻器的分頻比將時脈訊號調整到目標頻率之後再輸出，但抖動特性將會因為PLL電路的頻率調整而惡化。透過找出是從PLL電路的哪個部分而導致抖動特性惡化的影響並加以對其進行改善，將可實現低抖動特性的開發目標”打破抖動特性和電流消耗之間的權衡”。

・用於VCO的低抖動技術

VCO是電壓控制振盪器，其頻率特性可以通過調整控制電壓進而改變。

有兩種類型的VCO電路，一種是環形VCO，另一種是LC VCO。此兩種電路設計

如圖3和圖4所示.

圖3. 環形VCO (Ring VCO)                                                     圖4. LC VCO

  環形VCO是由奇數個反向放大器組成並以正回授連結的電路配置，並根據控制電壓以改變提供給反向放大器的電流來控制其頻率。環形VCO的電路尺寸小，電流消耗低，但抖動特性易受到影響。

  愛普生的SG-8101系列(P-SPXO)石英振盪器則是採用環形VCO，然而其發展目標是優先考慮小尺寸和低電流消耗特性。

  另一方面，LC VCO是由LC諧振電路的設計，並且透過對於可變電容施加控制電壓以及改變電容來控制頻率，由於LC VCO具有良好的抖動特性，我們試圖透過以LC VCO來實現低抖動特性的開發目標。

  然而，集成線圈存在問題，因為與環形VCO相比，它佔用了較大的IC面積，但如果線圈設計得更小，電感值也會變小，從而增加VCO的電流消耗。為了解決這個問題，我們專注於渦流。由於周圍導體中產生的渦流導致線圈的Q和電感值降低，因此我們研究了一種抑制渦流產生的方法，透過使用電磁場模擬器檢查各種布線形狀並找到最小化Q值降低的設計，同時，線圈佔用面積也需盡可能小。

  而在我們的Fab進行試作並實際確認IC的效果後，我們發現使用LC VCO可以用來改善抖動特性。

・低抖動特性目標實現，兼具小尺寸與高精度

愛普生的產品開發目標，包括「小尺寸」和「高精度」以及低抖動。

因此，在新產品開發目標，SG-8201系列也開發出小於SG-8101系列的產品尺寸。

圖5. 功能區塊圖 (SG-8101系列與SG-8201系列)

  雖然LC VCO成功實現小型化，但仍大於SG-8101系列使用的環形VCO面積，因此有必要對PLL以外的其他電路進行小型化。

  其中，溫度補償電路佔據了僅次於PLL電路的第二大面積，溫度補償電路對於實現高精度非常重要，特別是對應+ 125°C的工作溫度條件。因此我們決定對傳統的溫度補償電路進行重大改變。 

  AT切割型石英晶體諧振器的頻率溫度特性，具有三次方函數特性曲線。

  溫度補償電路產生三次方函數特性曲線的電壓，並根據電壓改變石英振盪器的頻率，以消除石英晶體諧振器的頻率溫度特性，而透過使用該溫度補償電路產生三次方函數特性曲線電壓的流程，可維持原始頻率補償解析度，我們更具體將電路面積減少約20%。

  除了上述技術發展之外，我們還重新檢視了頻率控制電路的設計，進一步達成優化電路佈局，以減小IC尺寸並改善信號抖動特性。因此，我們實現了FoM = -225 dB的發展目標，突破了抖動特性和電流消耗之間的權衡，同時具備了小尺寸以及高精度特性。

【產品比較】

圖6.為SG-8201系列(藍線)的相位雜訊和相位抖動特性。

與SG-8101系列(紅線)相比，它實現了更為顯著的低信號抖動特性。

圖6. 信號抖動特性比較表 (SG-8101 vs. SG-8201系列)

【結語】

  SG-8201系列(P-SPXO)具有低抖動特性、小尺寸、高精度等特點，適用於各種應用，有助於提升客戶產品價值最大化。