可编程振荡器的低抖动技术说明
摘要
固定频率简单封装晶体振荡器(SPXO)的输出频率由内置的晶体单元决定,该晶体单元是专门为每个频率设计和制造的。. 另一方面,可编程SPXO(P-SPXO)可以通过设置PLL电路来自由选择输出频率。与SPXO相比,P-SPXO的前置时间更短,并且可以编程输出用户要求的任何频率。然而,由于PLL电路的影响,P-SPXO与SPXO相比存在抖动劣势。这个
技术说明介绍了爱普生减少抖动和克服这些缺点的努力。
[针对低抖动的开发目标]
一般来说,通过具有较大的SPXO电流消耗的设计,可以获得低抖动特性。这是因为提高了振荡器电路的信号电平的电路设计增加了电流消耗,提高了信噪比(信噪比),并最终改善了噪声引起的抖动。只要
设计是基于这种权衡,电流消耗必须很大,以获得低抖动特性。
为了抵消上述权衡,我们采用了如下公式所示的FoM(业绩图)作为指标。这个方程用“相位抖动”代替了权衡抖动特性和电流消耗
“电力消耗”,并使其正常化。
FoM[dB]=20日志(1(吉)t[(t)s(e)](r)) +10log (1P[(o)mW(wer)])
P-SPXO SG-8101系列具有FoM = -200 dB,我们的SPXO有更好的抖动
性能与泡沫= -240 dB。通过设定减少P-SPXO的FoM的发展目标,它将导致一个
基本的性能改进。我们已经设定了一个新的P-SPXO开发目标,即FoM = -225 dB。这个
对应于我们的低抖动PLL振荡器使用一个整数类型PLL。然而,整数型PLL被限制为内置晶体单元的整数倍。因此,我们设置了FoM的目标,它相当于整数类型PLL,通过使用可以自由设置任何频率的分数数类型PLL。此外,我们的目标是
小型化和高精度,以符合市场趋势和“高效、
紧凑、精确。“具体来说,我们开始开发的目标是减少面积比64 %,并将工作温度范围的上限从+105°C扩大到+125°C
当前SG-8101系列。结果,实现了FoM = -225 dB的目标。我们成功地打破了它
权衡和商业化的小型P-SPXO,SG-8201系列,具有低电流消耗和低抖动
特性
PLL电路当参考时钟
目标频率和输出
由晶体振荡器产生的电流被输入到PLL电路中,它可以根据PLL电路的分频器的分频比进行调整.
通过PLL电路来找出其中的哪一部分.
PLL电路引起抖动特性的恶化,其改善将导致抖动特性的实现
开发的目标是:打破抖动特性和当前消耗之间的权衡。
沙痂低抖动技术
VCO是一种振荡器,其频率可由控制电压控制。VCO电路有两种类型,
一个是环VCO,另一个是LC VCO。各自的电路配置如图所示。3和4
环VCO有一个电路配置,其中奇数个逆变器被连接以应用正反馈,
并且通过根据控制电压改变提供给逆变器的电流来控制频率。
电路尺寸较小,电流消耗量较低,但对抖动特性影响较小。我们的P-SPXO SG
8101系列采用环VCO,开发目标是优先考虑小尺寸、低电流消费的特点。另一方面,LC VCO具有由LC谐振振荡的电路配置,并且通过对可变电容电容施加控制电压并改变电容来控制频率。由于LC VCO具有良好的抖动特性,我们试图通过LC VCO来实现开发目标。然而,集成线圈有一个问题,因为它占用了一个较大的集成电路面积相比,一个环VCO。如果线圈设计得更小,电感值也会更小,从而增加VCO的电流消耗。. 为了解决这一问题,我们关注涡流电流由于周围导体产生的涡流导致线圈的Q和电感值降低,我们研究了一种抑制涡流产生的方法。通过使用电磁场模拟器检查各种布线形状,并找到一种使Q值减少最小的设计,线圈占用面积尽可能减少。在我们的FAB制作了一个原型来确认实际IC的效果后,我们发现它是可以使用的
LC VCO,实现了减少的抖动。
实现小精度,高精度,低抖动
我们的开发目标包括“小”和“高精度”,以及低抖动。因此,有必要将其小于SG-8101系列的IC尺寸,以适应SG-开发的目标尺寸
8201系列。图5显示了SG-8101系列和SG-8201系列的方框图。
虽然LC VCO被成功地小型化,但它仍然大于在SG-中使用的环VCO的面积
8101系列,所以有必要将除PLL之外的其他电路小型化。温度补偿电路
占据了仅次于PLL的第二大区域。温度补偿电路是实现该目标的重要因素
高精度,特别是为了适应+ 125°C的较高工作温度。微型化是
这里需要,所以我们决定彻底改变传统的
at切割晶体单元的频率温度特性遵循立方曲线的特性。
温度补偿电路产生一个电压,再现立方曲线并改变
振荡器的频率根据电压来抵消晶体的频率温度特性
单元通过大幅重新考虑产生立方曲线电压的处理流程
温度补偿电路,我们已经实现了电路面积减少了约20 %
确保补偿方案的解决方案。
除了上述技术的发展外,我们还回顾了频率控制的设计
电路和能够进一步优化电路的布局,以减少集成电路的尺寸,并提高抖动。因此,
我们实现了FoM = -225 dB的开发目标,克服了权衡,取得了巨大的效果
在抖动特性和电流消耗之间,并实现了小的和高的精度。
【与传统产品比较]
图6显示了SG-8201系列的相位噪声和相位抖动特性。与SG-8101相比
在系列中,它实现了显著降低的抖动。
总而言之
P-SPXO SG-8201系列具有低抖动特性、尺寸小、精度高等特点
为各种应用程序,并帮助最大化客户产品的产品价值。精工爱普生将继续经营
开发能丰富社会的水晶装置。