Low Jitter technology for Programmable Oscillator

一般来说，定频式石英晶体振荡器(Simple Package Crystal Oscillator/SPXO)的输出频率是由内建石英晶体谐振器来决定，而内建的石英晶体谐振器是专门为每个频率独立设计和制造；而可程式化石英晶体振荡器(Programable SPXO/P-SPXO)则可以透过PLL(Phase Locked Loop/锁相回路)电路自由选择输出频率。

与SPXO相比，P-SPXO样品递交时效可以更短，而且可以透过程式设计以输出使用者要求的任何频率。然而，由于PLL电路特性的影响，与SPXO相比，P-SPXO具有较高信号抖动的缺点。

在此技术文件，将会说明爱普生如何克服P-SPXO的相关缺点以及减少信号抖动所做的努力。

【低信号抖动的发展目标】

通常藉由透过设计具有更大SPXO的消耗电流，可以获得低抖动特性，这是因为提高石英振荡器信号的电压位准将会增加消耗电流，因此可以改善信噪比(信号/噪音比) ，同时也可改善了由杂讯所引起的抖动。然而基于这种设计的权衡，则必须产生更大的消耗电流才能获得低抖动特性。

为因应上述的权衡条件，我们采用以下公式中的FoM(Fugure of Merit ，品质因数)作为参考指标。该公式使用「相位抖动」和「消耗功率」来取代抖动特性和电流消耗的权衡条件，以此订定规范并标准化。

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

Jitter :相位抖动(Phase jitter)

Power :消耗功率(Power consumption)

  爱普生SG-8101系列(P-SPXO)在FoM = -200 dB时具有低抖动特性，而定频式SPXO在FoM = -240 dB时可拥有更好的抖动性能。

  为了能有效改善信号抖动特性，如何能够有效降低P-SPXO FoM成为了爱普生产品设计发展的重点，并以FoM = -225 dB做为新P-SPXO开发目标。而此目标对应于采用整数型PLL电路的低抖动PLL石英振荡器的FoM ，但整数型PLL电路仅限于达成内建石英晶体谐振器整数倍的频率。

  因此，爱普生采用了可自由设置任何频率的小数型PLL电路来实现整数类型PLL电路特性的FoM目标。

  此外，我们以小型化和高精度为目标，以符合市场趋势和“高效率(省) 、小尺寸(小) ，高精度(精)”的制造理念。

  时至今日，我们已具体将面积比降低64% ，并将工作温度范围从+105°C扩展到+125°C ，与目前的SG-8101系列相比，SG-8201系列实现了FoM = -225 dB的设计目标。

  最终，我们成功地打破了这种权衡，开发出此具有低消耗电流和低抖动特性的最新世代SG-8201系列(P-SPXO)，并计划准备进入商业化量产阶段，

图1.信号抖动与消耗功率比较

【PLL电路的低抖动技术】

PLL电路(锁相回路) ，如下图2所示。

图2. PLL电路(Phase-Locked Loop锁相回路)

  由石英晶体振荡器所产生的参考时脉讯号输入到PLL电路时，可以根据PLL电路分频器的分频比将时脉讯号调整到目标频率之后再输出，但抖动特性将会因为PLL电路的频率调整而恶化。透过找出是从PLL电路的哪个部分而导致抖动特性恶化的影响并加以对其进行改善，将可实现低抖动特性的开发目标”打破抖动特性和电流消耗之间的权衡” 。

・用于VCO的低抖动技术

VCO是电压控制振荡器，其频率特性可以通过调整控制电压进而改变。

有两种类型的VCO电路，一种是环形VCO ，另一种是LC VCO 。此两种电路设计

如图3和图4所示.

                                                                 图3.环形VCO (Ring VCO)                                                图4. LC VCO

  环形VCO是由奇数个反向放大器组成并以正回授连结的电路配置，并根据控制电压以改变提供给反向放大器的电流来控制其频率。环形VCO的电路尺寸小，电流消耗低，但抖动特性易受到影响。

  爱普生的SG-8101系列(P-SPXO)石英振荡器则是采用环形VCO ，然而其发展目标是优先考虑小尺寸和低电流消耗特性。

  另一方面，LC VCO是由LC谐振电路的设计，并且透过对于可变电容施加控制电压以及改变电容来控制频率，由于LC VCO具有良好的抖动特性，我们试图透过以LC VCO来实现低抖动特性的开发目标。

  然而，集成线圈存在问题，因为与环形VCO相比，它占用了较大的IC面积，但如果线圈设计得更小，电感值也会变小，从而增加VCO的电流消耗。为了解决这个问题，我们专注于涡流。由于周围导体中产生的涡流导致线圈的Q和电感值降低，因此我们研究了一种抑制涡流产生的方法，透过使用电磁场模拟器检查各种布线形状并找到最小化Q值降低的设计，同时，线圈占用面积也需尽可能小。

  而在我们的Fab进行试作并实际确认IC的效果后，我们发现使用LC VCO可以用来改善抖动特性。

・低抖动特性目标实现，兼具小尺寸与高精度

爱普生的产品开发目标，包括「小尺寸」和「高精度」以及低抖动。

因此，在新产品开发目标，SG-8201系列也开发出小于SG-8101系列的产品尺寸。

图5.功能区块图(SG-8101系列与SG-8201系列)

  虽然LC VCO成功实现小型化，但仍大于SG-8101系列使用的环形VCO面积，因此有必要对PLL以外的其他电路进行小型化。

  其中，温度补偿电路占据了仅次于PLL电路的第二大面积，温度补偿电路对于实现高精度非常重要，特别是对应+ 125°C的工作温度条件。因此我们决定对传统的温度补偿电路进行重大改变。 

  AT切割型石英晶体谐振器的频率温度特性，具有三次方函数特性曲线。

  温度补偿电路产生三次方函数特性曲线的电压，并根据电压改变石英振荡器的频率，以消除石英晶体谐振器的频率温度特性，而透过使用该温度补偿电路产生三次方函数特性曲线电压的流程，可维持原始频率补偿解析度，我们更具体将电路面积减少约20% 。

  除了上述技术发展之外，我们还重新检视了频率控制电路的设计，进一步达成优化电路布局，以减小IC尺寸并改善信号抖动特性。因此，我们实现了FoM = -225 dB的发展目标，突破了抖动特性和电流消耗之间的权衡，同时具备了小尺寸以及高精度特性。

【产品比较】

图6.为SG-8201系列(蓝线)的相位杂讯和相位抖动特性。

与SG-8101系列(红线)相比，它实现了更为显著的低信号抖动特性。

图6.信号抖动特性比较表(SG-8101 vs. SG-8201系列)

【结语】

  SG-8201系列(P-SPXO)具有低抖动特性、小尺寸、高精度等特点，适用于各种应用，有助于提升客户产品价值最大化。