2. 石 英 晶 體 振 盪 器 本 身 的 精 度 誤 差 ( 也 就 是 石 英 晶 體 振 盪 器 規 格 中 的 Tolerance): 源 自 於 生 產 製 程 所 造 成! 製 程 的 好 壞 可 以 決 定 精 度 誤 差 的 範 圍, 而 EPSON TOYOCOM 有 一 個 新

石 英 晶 體 振 盪 線 路 之 迴 路 分 析 介 紹 引 文 : 一 般 常 用 的 振 盪 元 件, 大 多 採 用 壓 電 材 料, 其 中 屬 石 英 材 料 最 為 穩 定, 且 能 夠 提 供 寬 廣 且 穩 定 的 頻 率! 在 各 類 電 子 產 品 中, 石 英 晶 體 振 盪 器 相 當 於 心 臟, 振 盪 頻 率 相 當 於 脈 搏, 所 以 準 確 的 振 盪 頻 率, 以 及 振 盪 的 穩 定 性 是 非 常 重 要 的! 而 如 何 得 知 頻 率 是 否 準 確, 且 穩 定 的 振 盪, 就 相 當 的 重 要! 本 文 將 介 紹 石 英 晶 體 振 盪 線 路 之 迴 路 分 析 與 最 佳 匹 配 調 整 本 文 : 舉 凡 消 費 性 產 品 : 如 數 位 電 視 遊 樂 器, 數 位 相 機, 手 錶 等 ; 資 訊 產 品 : 如 個 人 電 腦, 及 其 週 邊 設 備, 掌 上 型 電 腦, 及 硬 碟 等 ; 通 訊 產 品 : 如 行 動 電 話, 無 線 電 電 話, 及 呼 叫 器 等 ; 網 路 產 品 : 如 數 據 機,IA 產 品, 甚 至 藍 芽 套 件 等 皆 會 使 用 石 英 晶 體 振 盪 器! 是 故, 石 英 晶 體 振 盪 器 在 電 子 產 品 中 佔 有 著 舉 足 輕 重 的 位 置, 不 可 或 缺! 在 這 些 應 用 中, 很 多 都 需 要 要 求 準 確 且 穩 定 的 振 盪 頻 率, 因 此 有 越 來 越 多 的 廠 商 開 始 注 重 石 英 晶 體 振 盪 線 路 之 迴 路 分 析 以 求 在 設 計 階 段, 就 能 先 行 做 線 路 的 確 認 以 及 調 整, 以 達 到 最 佳 電 路 匹 配! 振 盪 線 路 迴 路 分 析 的 目 的 一 個 石 英 振 盪 線 路 必 然 會 存 在 一 定 範 圍 的 誤 差, 這 些 誤 差 的 來 源 主 要 有 三 種 : 1. 石 英 晶 體 振 盪 器 的 溫 度 特 性 ( 意 味 著 隨 著 溫 度 變 化, 會 出 現 頻 率 偏 差 的 現 象 ): 石 英 晶 體 振 盪 器 因 溫 度 變 化 而 導 致 頻 率 改 變, 是 因 為 石 英 材 料 在 各 個 座 標 軸 向 的 熱 膨 脹 係 數 不 同 當 溫 度 改 變 時, 各 軸 向 的 晶 格 間 距 會 產 生 些 許 變 化, 造 成 頻 率 的 偏 移 當 使 用 不 同 的 切 割 角 度 時 就 會 有 不 同 的 頻 率 對 溫 度 特 性, 但 在 定 義 上 依 然 會 使 用 25 當 做 相 對 零 點! 以 AT 型 晶 體 來 說, 其 特 性 是 三 次 方 程 式 的 頻 率 對 溫 度 特 性 曲 線 ;khz 等 級 的 音 叉 型 晶 體 的 特 性 則 為 拋 物 線 方 程 式 因 此 在 進 行 最 佳 化 匹 配 時, 必 須 針 對 不 同 的 溫 度 特 性 來 做 調 整

2. 石 英 晶 體 振 盪 器 本 身 的 精 度 誤 差 ( 也 就 是 石 英 晶 體 振 盪 器 規 格 中 的 Tolerance): 源 自 於 生 產 製 程 所 造 成! 製 程 的 好 壞 可 以 決 定 精 度 誤 差 的 範 圍, 而 EPSON TOYOCOM 有 一 個 新 的 製 程 QMEMS, 以 石 英 為 基 材, 採 用 半 導 體 的 微 機 電 技 術 來 生 產 相 較 於 舊 製 程, QMEMS 有 著 微 型 化 省 能 源 高 穩 定 性 與 高 準 確 性 的 顯 著 特 色 3. 石 英 晶 體 振 盪 線 路 上 的 週 邊 元 件 配 置 影 響 : 這 些 元 件 包 括 石 英 晶 體 半 導 體 IC 週 邊 電 阻 / 電 容, 以 及 PCB 走 線 不 同 的 配 置 方 式 對 於 振 盪 線 路 的 整 體 誤 差 會 有 很 大 的 影 響, 例 如 電 容 器 的 擺 放 位 置, 或 電 容 值 的 選 取 等, 都 需 妥 善 的 規 劃, 才 能 得 到 最 佳 化 的 表 現 圖 二 標 準 的 振 盪 線 路 配 置 圖 ( 圖 片 提 供 :Epson Toyocom) ( 一 般 週 邊 線 路 以 半 導 體 廠 商 在 規 格 書 中 的 建 議 為 主, 當 然 也 會 有 例 外 ) 那 為 什 麼 要 做 振 盪 線 路 迴 路 分 析 呢? 就 是 為 了 得 知 石 英 振 盪 器 在 整 個 振 盪 線 路 上 的 匹 配 性 若 匹 配 性 不 好, 就 會 發 生 振 盪 頻 率 不 準 不 起 振 振 盪 不 穩 定 等 現 象 所 以 我 們 一 般 都 會 要 求 客 戶 盡 量 在 設 計 階 段, 就 先 行 提 供 半 成 品 給 EPSON TOYOCOM 做 迴 路 分 析, 以 避 免 量 產 後 才 發 生 問 題, 因 為 此 時 要 再 做 電 路 變 更 是 非 常 困 難 的! EPSON TOYOCOM 主 要 振 盪 線 路 迴 路 分 析 項 目 在 EPSON TOYOCOM 的 迴 路 分 析 報 告 中, 主 要 會 測 試 三 個 項 目 : 1. 頻 率 容 許 誤 差 (Frequency Tolerance) 的 量 測 : 在 EPSON TOYOCOM 的 報 告 中, 顯 示 的 數 據 為 上 文 中 所 提 到 的 石 英 晶 體 振 盪 線 路 上 的 週 邊 元 件 配 置 所 造 成 的 誤 差, 不 包 含 石 英 晶 體 振 盪 器 本 身 以 及 溫 度 特 性 所 產 生 的 誤 差, 方 便 客 戶 能 更 加 了 解 此 次 設 計 的 好 壞! 不 同 的 電 子 產 品 對 於 誤 差 的 要 求 也 會 不 一 樣, 像 是 一 般 資 料 時 脈 應 用 的 要 求 就 落 於 ± 30ppm~±50ppm 不 等 ; 若 是 實 時 時 鐘 (RTC) 的 要 求 就 落 於 0ppm~10ppm 之 間 以 實 時 時 鐘 的 應 用 來 說, 使 用 的 是 32.768KHz 石 英 振 盪 器, 若 有 10ppm 的 誤 差, 則 每 天 會 誤 差 0.864 秒 舉 例 公 式 如 下 : 頻 偏 誤 差 60( 秒 ) 60( 分 ) 24( 小 時 )= 每 天 誤 差 秒 數 10ppm 60 60 24=0.864 秒

所 以 量 測 出 振 盪 線 路 中 的 頻 率 誤 差 是 非 常 重 要 的, 頻 偏 誤 差 會 直 接 導 致 計 時 的 不 準, 或 資 料 時 脈 的 不 準, 導 致 傳 輸 資 料 時 不 能 同 步, 以 致 於 傳 輸 的 資 料 判 讀 錯 誤, 或 是 影 像 失 真 等 不 同 的 現 象! 2. 驅 動 功 率 (D.L.,Driver Level) 的 量 測 : 驅 動 功 率 指 的 是 做 用 在 石 英 晶 體 振 盪 器 上 的 功 率, 基 本 單 位 為 μw( 微 瓦 ), 透 過 量 測 流 經 石 英 晶 體 振 盪 器 上 的 電 流, 再 乘 上 本 身 的 等 效 內 阻, 換 算 而 得! 驅 動 功 率 公 式 如 下 : P(μW)=I 2 Re, and Re=R1(1+C0/CL) 2 石 英 振 盪 器 需 要 一 個 驅 動 功 率 去 使 它 起 振 並 維 持 振 盪, 一 般 我 們 會 要 求 這 功 率 越 小 越 好, 以 求 省 電, 另 外 這 也 和 振 盪 的 穩 定 性 以 及 石 英 晶 體 振 盪 器 的 壽 命 息 息 相 關 若 給 予 石 英 振 盪 器 過 高 的 功 率, 將 會 使 它 的 特 性 跑 掉, 以 及 造 成 石 英 / 電 極 / 接 面 材 料 的 介 面 惡 化, 進 而 造 成 頻 率 振 盪 的 不 穩 定 和 壽 命 衰 減! 以 32KHz 石 英 振 盪 器 為 例, 若 給 予 過 高 的 功 率, 將 導 致 內 部 晶 體 的 音 叉 結 構 斷 裂! 以 MHz 的 AT 型 晶 體 為 例, 則 可 能 產 生 跳 頻 現 象, 並 影 響 石 英 晶 體 的 壽 命 及 可 靠 度 3. 負 性 阻 抗 (-R, 也 稱 為 起 振 餘 裕 ) 的 量 測 : 負 性 阻 抗, 又 稱 OA(Oscillation Allowance), 代 表 著 振 盪 線 路 的 振 盪 餘 裕 程 度! 也 象 徵 著 這 個 振 盪 線 路 是 否 設 計 良 好 在 一 般 的 驅 動 下, 是 否 容 易 起 振 負 性 阻 抗 不 是 真 實 的 阻 抗, 而 是 在 石 英 晶 體 振 盪 器 旁 串 接 一 個 電 阻, 去 模 擬 各 種 未 知 條 件 影 響 下, 當 石 英 晶 體 振 盪 器 ESR 變 大 時, 是 否 仍 然 能 正 常 起 振! 一 般 我 們 會 要 求 負 性 阻 抗 值 越 大 越 好, 代 表 此 振 盪 線 路 越 容 易 起 振, 若 負 性 阻 抗 值 太 低, 代 表 起 振 時 間 變 長, 甚 至 發 生 不 會 起 振 的 現 象! 因 此 各 家 晶 振 廠 商 有 定 義 了 負 性 阻 抗 的 規 範, 一 般 範 圍 落 在 石 英 晶 體 振 盪 器 最 大 ESR 的 3~5 倍 以 上 即 可! 迴 路 分 析 與 最 佳 匹 配 化 在 振 盪 線 路 中, 有 一 個 很 重 要 的 參 數, 就 是 整 個 線 路 上 的 負 載 電 容 (CL,Load Capacitance), 它 是 由 gate 端 的 頻 率 調 整 電 容 (CG) drain 端 的 頻 率 調 整 電 容 (CD) 及 雜 散 電 容 (CS) 等 三 個 參 數 共 同 組 成 其 中 負 載 電 容 及 兩 個 頻 率 調 整 電 容 是 已 知 的, 可 以 透 過 下 列 公 式 求 得 雜 散 電 容 值 : CL=(CG // CD)+CS CS= CL - [(CG CD)/(CG + CD)] 負 載 電 容 和 和 頻 率 誤 差 驅 動 功 率 負 性 阻 抗 有 緊 密 的 關 係 存 在, 彼 此 互 相 影 響, 我 們 可 由 下 圖 了 解 圖 三 負 載 電 容 與 驅 動 功 率 和 負 性 阻 抗 的 關 係 圖 ( 圖 片 提 供 :Epson Toyocom)

圖 四 負 載 電 容 與 頻 率 偏 移 的 關 係 圖 ( 圖 片 提 供 :Epson Toyocom) 所 以 為 振 盪 線 路 做 迴 路 分 析 的 一 個 重 要 目 的, 就 是 透 過 兩 個 頻 率 調 整 電 容 的 調 整, 找 到 最 佳 的 匹 配 設 計 此 外, 一 般 石 英 業 者 會 建 議 廠 商 選 用 負 載 電 容 較 大 的 石 英 晶 體, 這 是 為 何 呢? 原 來 是 因 為 負 載 電 容 選 用 的 比 較 小 時, 雖 然 容 易 起 振 省 電, 但 也 因 此 容 易 造 成 較 大 的 頻 率 偏 移, 我 們 可 由 下 圖 得 知, 在 較 小 的 負 載 電 容 值 時, 其 特 性 曲 線 的 斜 率 是 較 大 的 圖 五 負 載 電 容 與 頻 率 敏 感 度 ( 圖 片 提 供 :Epson Toyocom) 不 過, 透 過 專 業 的 迴 路 分 析, 即 使 使 用 小 負 載 電 容, 客 戶 依 然 可 以 得 到 最 佳 建 議 線 路 設 計, 進 而 應 用 在 客 戶 的 產 品 上! 如 何 選 擇 迴 路 分 析 實 驗 室 因 一 般 振 盪 線 路 的 頻 率 誤 差 值 非 常 的 小, 以 ppm 等 級 為 單 位, 所 以 在 迴 路 分 析 上 需 要 特 別 的 實 驗 室 設 備 才 能 做 到, 以 專 精 石 英 技 術 的 Epson Toyocom 為 例, 自 2008 年 6 月 起 在 台 灣 才 終 於 成 立 這 樣 的 高 規 格 實 驗 室, 在 過 去 也 只 有 日 本 總 公 司 才 有 這 樣 得 實 驗 室 和 人 員 來 為 客 戶 服 務 那 究 竟 需 要 哪 些 特 別 的 設 備 : 1. 非 常 精 確 的 儀 器 : 高 精 度 得 計 數 器 示 波 器 電 流 計 和 Selective Level Meter etc. 圖 六 量 測 極 小 電 流 的 特 殊 設 備 ( 圖 片 提 供 :Epson Toyocom)

這 邊 發 現 了 一 個 特 別 的 儀 器 Selective Level Meter, 那 為 什 要 選 擇 它 呢? 原 來 在 音 叉 型 晶 體 振 盪 器 (20kHz 至 165kHz), 驅 動 功 率 的 等 級 是 非 常 小 ( 最 大 1μW) 如 果 水 晶 振 盪 器 內 阻 值 是 50K, 電 流 通 過 晶 體 近 似 4.5μA 此 時 電 流 量 太 低, 一 般 的 示 波 器 無 法 讀 取 到! 因 此, 必 須 使 用 此 特 殊 儀 器 來 測 量 電 流 另 外 還 有 最 重 要 的 時 間 源, 大 多 的 晶 振 廠 商 是 使 用 OCXO 等 級 的 儀 器 來 進 行 量 測, 雖 然 OCXO 已 經 很 精 準, 不 過 比 起 原 子 鐘 來 說, 精 準 度 約 差 了 千 倍 以 上! 所 以 在 進 行 精 確 的 振 盪 線 路 迴 路 分 析 時, 實 驗 室 必 須 具 備 能 提 供 極 高 精 準 度 參 考 頻 率 的 儀 器 如 原 子 鐘! 2. 測 試 儀 器 的 探 棒 : 另 外 一 個 重 要 的 關 鍵 則 是 量 測 用 的 探 棒, 可 分 為 被 動 式 與 主 動 式 被 動 式 探 棒 成 本 低, 但 以 接 觸 式 量 測 時 會 產 生 嚴 重 的 電 容 效 應 ( 約 8-15pF), 將 造 成 很 大 的 頻 偏, 因 而 無 法 量 測 到 真 正 的 頻 偏 值 主 動 式 探 棒 的 成 本 高 但 本 身 的 電 容 效 應 低, 只 有 1-2pF, 因 此 較 不 會 有 上 述 問 題! 除 了 使 用 主 動 式 探 棒 之 外,Epson Toyocom 進 一 步 設 計 出 非 接 觸 式 的 量 測 方 式, 可 以 將 量 測 時 對 線 路 負 載 的 影 響 降 到 最 低, 可 量 測 分 析 到 實 際 的 線 路 振 盪 特 性 結 論 擁 有 這 些 特 殊 設 備 後, 以 及 具 有 完 善 知 識 的 專 業 人 員, 才 能 算 是 一 個 合 格 的 石 英 晶 體 振 盪 迴 路 分 析 實 驗 室! 這 樣 的 實 驗 室 能 夠 針 對 客 戶 所 設 計 的 振 盪 線 路 提 供 頻 率 誤 差 驅 動 功 率 負 性 阻 抗 的 量 測, 並 提 供 最 佳 匹 配 建 議 設 計! 除 了 這 些 基 本 的 量 測 外,Epson Toyocom 實 驗 室, 還 會 針 對 不 同 的 應 用 提 供 更 進 階 的 服 務, 如 溫 度 對 頻 率 特 性, 振 盪 線 路 起 振 到 系 統 開 始 運 作 的 時 間 等! 名 詞 解 釋 Crystal Impedance (CI): 等 同 於 一 般 規 格 中 得 ESR R1 i.e. CI ESR R1 Load Capacitance (CL): 等 同 於 從 石 英 晶 體 振 盪 器 兩 個 端 子 看 向 振 盪 線 路 的 所 有 電 容 值 Negative Resistance ( R): 從 石 英 晶 體 振 盪 器 的 角 度 來 看 等 同 於 晶 體 振 盪 電 路 的 電 阻 值 Drive Level (D.L.): 當 石 英 晶 體 振 盪 器 工 作 時, 作 用 在 它 身 上 的 消 耗 功 率 i.e. Drive Level = I 2 * Re QMEMS(Quartz + MEMS): 是 結 合 微 機 電 系 統 的 概 念, 將 石 英 基 材 使 用 MEMS 技 術 來 做 為 製 程 改 善 是 一 個 混 合 的 新 製 程 技 術