高效能石英振荡器的选择

中心论题：

• 分析以DSP为基础的锁相回路架构的优点
• 介绍Si530、Si550石英振荡器和压控石英振荡器产品

解决方案：

• 以DSPLL为基础的振荡器可大幅改善振荡器的可靠性和效能
• 以DSPLL为基础的振荡器控制电压的线性更良好

今日的网络设备必须支持数目不断增多的各种数据速率，包括10G以太网络、10G光纤信道（Fibre Channel）、SONET OC-192和相关的前向错误更正（FEC）速率。传统的时序子系统架构必须为每种频率使用一颗石英晶体或SAW谐振器，这会导致每张线路卡上出现许多不同的振荡器。

使用多个石英振荡器或SAW谐振器可能为网络设备设计人员带来问题，包括很长的石英晶体采购前置作业时间、频率稳定性、长期老化现象、温度漂移和机械完整性。相形之下，只要将DSP为基础的高效能频率合成组件搭配低频石英晶体就能发展出多频率输出的石英振荡器（XO）或压控石英振荡器（VCXO），同时大幅改善组件采购前置作业时间和机械强固性等使用高基波（HFF）石英晶体或表面声波（SAW）振荡器时常见的问题。

以DSP为基础的锁相回路架构优点
精密CMOS技术的进步提高了电路的速度和运算能力，厂商因此能以DSP为基础发展出强大的频率合成组件，并利用它们设计高频率、低抖动的新型石英振荡器和压控石英振荡器。这种把频率合成组件与固定低频率石英谐振器结合在一起的做法既可提供相当于传统石英振荡器或压控石英振荡器的功能，又可在使用者指定的多个频率下操作。

以DSP为基础的锁相回路技术（DSPLL）为振荡器提供传统设计无法实现的许多独特功能。例如传统做法须为不同频率制造不同的HFF石英晶体或SAW谐振器，以DSPLL架构为基础的振荡器（图1所示）则能在所有产品中利用一颗规格较宽松的低频石英晶体提供多频操作能力，并将固定频率振荡器的输出倍频为使用者在10MHz到1.4GHz之间所指定的频率。

以SAW或HFF为基础的现有解决方案需要电镀和蚀刻等复杂的生产步骤来调校最终频率，这使得产品交货的前置作业时间最长达到八周。DSPLL技术则可透过电子调校来产生客户所要的频率，不但分辨率超过1ppb，产品供应的前置作业时间也减少至一周左右。另外，把频率产生和调谐功能移到混合讯号组件还能提供传统技术所无法提供的效能与功能。

图1：以DSP为基础的锁相回路振荡器架构。

DSPLL还能将提供两组或四组不同输出频率的组件整合至业界标准的5×7毫米封装（参考图2），这比传统解决方案节省七成五的电路板面积和四成的成本。这项特色的主要应用范围包括必须支持10G以太网络、10G光纤信道和SONET（OC-192）等各种高速线路速率的网络设备。

图2：四频压控石英振荡器让整合变为可能。

由于一颗组件就能让压控石英振荡器和石英振荡器提供宽广的输出频率范围，所以供货商的选择和供应链管理都变得更简单。另外，客户的质量验证工作也更容易，这是因为各种振荡器频率都源自于同一颗组件。

提供更高的可靠性与效能
想要根据初始精确度、温度稳定性和老化影响等三项重要指标来大幅改善振荡器的可靠性和效能，关键就在于采用以DSPLL为基础的振荡器架构。

初始精确度代表输出频率与生产时的目标频率有多接近。把高分辨率的频率合成功能加入DSPLL频率组件后，厂商只要透过简单编程就能设定振荡器的频率，不必像调整传统解决方案一样为了改变石英振子的质量而透过两个步骤来微量增加或减少金属材料。可程序DSPLL技术可消除传统振荡器生产过程所引入的许多误差来源，厂商因此能使用规格较宽松的低成本石英晶体来生产振荡器并提供更高的初始精确度。采用DSPLL技术的振荡器可将初始精确度控制在1ppm以内（典型值），这比以SAW为基础或HFF振荡器高出五至十倍。

温度稳定性代表频率随温度而变动的情形。以SAW为基础的振荡器比DSPLL石英振荡器和压控石英振荡器的标准AT型石英晶体更易受到温度影响，因此DSPLL组件的频率稳定性通常比SAW组件高出五倍，也胜过HFF解决方案两成左右。

老化稳定性代表频率随着时间而「漂移」的程度。老化影响与振荡频率都与石英片的大小成反比，因此越厚的石英通常频率稳定性就越不易受到时间（老化）影响，振荡频率也越低。相形之下，传统HFF振荡器必须使用更薄和更脆弱的石英，它们更容易受到封装杂质影响，机械强固性也更差。就以Silicon Laboratories Si530（XO）和Si550（VCXO） 所用的116.4MHz三阶谐波（third overtone）石英晶体为例，其石英振子的厚度约为155MHz HFF石英晶体的四倍，因此Si530和Si550的老化效能通常会比采用HFF的解决方案高出四倍。另外，Si530/Si550每年1ppm的长期频率稳定性（老化）更比每年通常为10ppm的SAW组件好十倍。

可选择式控制斜率简化压控石英振荡器设计和提高稳定性
利用HFF石英晶体或SAW技术实作的压控振荡器通常会透过变容器来调整或拉动振荡器的输出频率。设计人员若想实作以SAW为基础的压控振荡器（VCSO），就必须使用控制斜率（tuning slope）范围较大的产品来弥补SAW较差的初始频率精确度、温度稳定性和老化特性。

以HFF技术为基础的高频压控石英振荡器的控制斜率表现通常并没有它们在温度稳定性方面那么杰出，Si550则能提供图3所示的多个控制斜率选项（45、90、135和180ppm/V），这使它很容易替代传统组件。此外，Si550由于提供45和90ppm/V等较小的控制斜率，因此比其它VCSO组件更容易用于低回路频宽设计。低电压增益选项则能减少电路板层级的噪声放大影响和设计风险。

图3：Si550电压增益选项。

控制电压的线性更良好
从图4即可看出在控制电压的线性方面，以DSPLL为基础的振荡器比现有的压控石英振荡器或压控SAW振荡器还好五倍。Si550会将控制电压数字化，然后传给DSPLL频率合成引擎。这种做法可以免除传统所需的变容器和它所带来的非线性特性，进而提供高于其它竞争组件五到十倍的±1线性效能。Si550还提供多种控制范围（tuning range）让客户选择最适合其应用的组件；相较于采用SAW的解决方案，这种可选择式控制斜率范围在同样的温度范围内可以提供更稳定的回路频宽，进而使得设计更强固可靠。

图4：Si550控制电压的线性特性。

Silicon Laboratories Si530和Si550石英振荡器和压控石英振荡器产品
Silicon Laboratories的Si530和Si550石英振荡器和压控石英振荡器全都采用通过业界考验的DSPLL技术，最适合频率控制市场的高效能应用领域。Si530石英振荡器和Si550压控石英振荡器代表全新类型的频率控制组件，主要支持10MHz到1.4GHz频率范围的高频率、低抖动应用。

把频率合成功能移至Silicon Laboratories的DSPLL引擎可以大幅简化高频振荡器的相关生产流程，使得产品供应的前置作业时间变得更短和可预期。此外，这套革命性架构还大幅改善组件的总体可靠性及提供四频操作等许多新功能。除了降低成本和提供超越传统解决方案的稳定性外，Silicon Laboratories的所有振荡器还提供典型值少于0.3ps均方根值的超低抖动操作能力，这已达到SONET/SDH应用的最严苛要求。

Silicon Laboratories的Si530（石英振荡器）和Si550（压控石英振荡器）能满足下一代网络设备日益增加的精准频率源要求，同时将应用范围扩大到无线基地台、测试与量测、储存局域网络（SAN）和视讯等各种新市场。Si530和Si550系列组件都采用业界标准封装与接脚，可用来取代现有振荡器并提供更好的前置作业时间、稳定性和效能。