獲得高頻輸出的方法（第二部：SAW 振蕩器）

SAW 的概況與特性介紹

【序文】

上一次，我們介紹了使用 AT 型石英晶體單元與倍頻電路或鎖相環(huán)電路的組合而獲得高頻輸出的方法。用這種方法可以發(fā)揮石英晶體單元所具有的穩(wěn)定的溫度特性，但也存在著起振石英晶體單元的振蕩電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，以及難以抑制抖動(dòng)和相位噪音的課題。若能在使用石英晶體元器件的同時(shí)以基波起振高頻，則可以抑制高諧波，由此獲得具有良好的抖動(dòng)特性和相位噪音特性的輸出信號(hào)。然而，AT 型石英晶體的頻率取決于石英片厚度，為此需要將石英片加工得很薄才能起振高頻，在加工方法和機(jī)械性強(qiáng)度等方面存在著制約。本次，我們將對(duì) SAW 振蕩器進(jìn)行解說(shuō)。這種振蕩器使用了能夠解決上述課題并以基波直接起振高頻的 SAW（SurfaceAcoustic Wave，彈性表面聲波）諧振器。

【1】關(guān)于 SAW 諧振器

彈性表面聲波（SAW/Surface Acoustic Wave）與水面上傳播的彈性波一樣，是一種把能源集中于彈性體表面?zhèn)鞑サ膹椥圆ǎ湔穹S深度的增加而呈指數(shù)式衰減。如圖 1 所示，彈性表面聲波可由壓電基片上安裝的叉指換能器（IDT/Inter Digital Transducer）產(chǎn)生并檢測(cè)得出。如果把表面聲波的傳播速度設(shè)定為 V，叉指換能器的周期設(shè)定為 λ，就可以通過(guò)公式 f=V/λ 求出其頻率 f。最適于 SAW 元器件的頻帶為幾十兆赫至 2 千兆赫左右，其上限和下限由微電極圖案的分辨率和基片材料的特性及大小而定。SAW 諧振器如圖 2 所示，可分為單端口和雙端口諧振器的兩種。單端口 SAW 諧振器的中央設(shè)置叉指換能器，在其兩側(cè)設(shè)置反射器。通過(guò)把叉指換能器激勵(lì)產(chǎn)生的表面聲波封閉在兩反射器之間，就能夠獲得具有較高 Q 值的諧振器。雙端口 SAW 諧振器的中央設(shè)有兩只用于輸入和輸出的叉指換能器，在其兩側(cè)配備了反射器。它的工作原理與單端口 SAW 諧振器一樣，也能實(shí)現(xiàn)高 Q 值。雙端口 SAW 諧振器的損失小，是一種頻帶非常窄的帶通濾波器。它與一個(gè)放大器相組合形成反饋環(huán)路后可以簡(jiǎn)單起振。因此，雙端口 SAW 諧振器與單端口同樣經(jīng)常被使用，尤其能在高頻領(lǐng)域發(fā)揮真正價(jià)值。雙端口 SAW 諧振器的所需相位條件因其所使用的振蕩電路而不同，所以需要指定諧振頻率中的相移量（180?或 0?）。

【2】SAW諧振器的特征

SAW 諧振器的振動(dòng)模式是彈性表面波(參照?qǐng)D3右)，其頻率與石英晶片的厚度無(wú)關(guān)，而由石英晶片上形成的又指換能器的寬度來(lái)決定。因此，只要改變叉指換能器圖案,即可應(yīng)對(duì)十兆赫至幾千兆赫的高頻。與此相對(duì)，AT 型石英晶體的振動(dòng)模式是厚度變形振蕩(參照?qǐng)D3左)，由石英厚度決定頻率。由于必須把石英晶片厚度加工得很薄，所以 AT 型石英晶體通常能夠應(yīng)對(duì)的頻率范圍是以基波起振時(shí)為 10MHz至 50MHz，以三次諧波起振時(shí)為 50MHz 至 150MHZ。

而且，與 AT 型石英晶體的厚度變形相比，SAW諧振器(彈性表面波)還具有以下優(yōu)點(diǎn):其一，影響主振動(dòng)模式的振動(dòng)(噪音)少:其二，制作時(shí)將在 SAW 諧振器的又指換能器上形成保護(hù)膜，所以能耐附著在膜上的雜質(zhì)。由于這些效果，將 SAW 諧振器組裝到振蕩器時(shí)，就能夠?qū)崿F(xiàn)低抖動(dòng)特性并避免振蕩停止等風(fēng)險(xiǎn)。

但是，在溫度特性方面，AT型石英晶體具有在常溫范圍內(nèi)有拐點(diǎn)、呈三次曲線(xiàn)的溫度特性(圖4左):SAW諧振器的溫度特性基本為二次曲線(xiàn)(圖 4 右的點(diǎn)線(xiàn))。因此，如果需要在較寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的特性，AT 型石英品體則更有利。

關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，愛(ài)普生在 SAW 諧振器產(chǎn)品中采用了獨(dú)自技術(shù)進(jìn)行了改善，使二次曲線(xiàn)的變動(dòng)幅度與原來(lái)的溫度特性相比變得更緩(圖4右的實(shí)線(xiàn)):還能提供類(lèi)似于 AT 型石英品體溫度特性的高精度品，在較寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。

圖 3:AT 型石英晶體、SAW諧振器的振動(dòng)模式

圖 4:AT 型石英晶體、SAW諧振器的溫度特性圖

【3】SAW 諧振器的優(yōu)越性[特性比較]

以上說(shuō)明了 AT 型石英晶體和 SAW 諧振器。對(duì)實(shí)際市場(chǎng)中提供的可輸出高頻的振蕩器（AT 型石英晶體和鎖相環(huán)電路的組合與 SAW 振蕩器）進(jìn)行比較，可以得出 SAW 振蕩器的優(yōu)點(diǎn)在于相位噪音及相位抖動(dòng)特性相對(duì)優(yōu)越和耗電量少之處。在下一頁(yè)中，我們將通過(guò)與 AT 型石英晶體和鎖相環(huán)電路相組合的振蕩器相比較，以此證明 SAW 振蕩器的特性。

表 1：相位抖動(dòng)與耗電量的比較（3.3V LV-PECL 的條件下）

圖 5：SAW 振蕩器與 AT+PLL 振蕩器相位噪音特性的比較

【3-1】相位噪音特性與相位抖動(dòng)

鎖相環(huán)電路鎖定壓控振蕩器（以下稱(chēng)為“VCO”）以石英起振的高 Q 值頻率，輸出倍增后的頻率。因此，相

位噪音特性由石英振蕩電路和 VCO 的兩大因素所決定。通常，VCO 的相位噪音特性低于石英，并將顯示在鎖相環(huán)電路的高頻領(lǐng)域，因此將使相位噪音曲線(xiàn)的一部分變大。而且，頻率倍數(shù)也將改變低頻的相位噪音水平，所以倍數(shù)越大相位噪音特性越差。被稱(chēng)為低抖動(dòng)鎖相環(huán)電路的產(chǎn)品通過(guò)減少 VCO 噪音以及設(shè)定較小的倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)低相位噪音（上述圖 5 的 AT+PLL 振蕩器顯示的是低抖動(dòng)鎖相環(huán)電路產(chǎn)品的特性）。

【3-2】消耗電流

鎖相環(huán)振蕩器由振蕩電路和鎖相環(huán)電路組成，一般情況下，鎖相環(huán)電路需要消耗更多的電流。而且，增大信號(hào)成份（增幅）是減少相位噪音的有效方法，因此將消耗更多的電流。設(shè)計(jì)中常用 GHz 帶的 VCO，這也將增大耗電量。與此相對(duì)比，SAW 振蕩器能以基波為振源起振高頻，振蕩器的電路組成也相對(duì)簡(jiǎn)單，所以能夠把耗電量控制在較小程度。

如上所示，SAW 振蕩器兼?zhèn)涞拖辔欢秳?dòng)特性和耗電量少的優(yōu)點(diǎn)。因此，對(duì)于需要低誤碼率和低耗電量的電

子部件的顧客或應(yīng)用程序，SAW 振蕩器是最佳選擇。愛(ài)普生準(zhǔn)備了豐富充實(shí)的 SAW 振蕩器陣容，今后亦將不斷地開(kāi)發(fā)和提供符合顧客各種需求的產(chǎn)品。