爱普生AT石英晶振获得高频率输出的实现方法

概述：高频的基准信号源在近年的通信设备及网络设备中必不可缺，而满足顾客所使用的应用和要求规格的高频输 出的电子部件的品种众多。本文主要从AT型石英晶体在具有良好的温度特性并以基波直接起振的前提下实现高频输出的技术实现方式和方法。希望通过本次技术说 明，能让顾客更多理解石英产品所具有的高稳定性，在广大顾客选择各种应用程序的电子部件时助一臂之力。

【1】什么是反向台形 AT 型石英晶体谐振器

英 语名称中的“Mesa”这个词起源于西班牙语，意思是“周围是悬崖峭壁的台形地貌”，通常把截面加工成台形的半导体晶体管等称为“台形结构”。反向台形 AT 型石英晶体谐振器指把 AT 切割石英片的一部分（振荡部分） 切割成凹陷的台形的结构（与台形结构相反）。反向台形 AT 型石英晶体的结构如图 1 所示。AT 型石英晶体谐振器的石英片越薄，所起振的频率越高。但是，通常机械性研磨实现批量、稳定生产的频率限度为以基波起振 50MHz 左右（石英片厚度为约 30μm）。如果需要使用 AT型石英晶体获得大于上述限度的频率，经常使用高次振动的振动模式（三次谐波）达到 50MHz 至 150MHz。因此，为了获得高频，就需要使用复杂的电路控制三次谐波等振动模式。爱普生应用进行光刻加工的 QMEMS 技术，生产出只将激励部分加工成几微米的反向台结构，既保证了芯片的强度又能以基波起振高频，以此解决上述问题。

【2】爱普生公司的QMEMS技术如何实现AT晶振高频输出 ?

AT 型石英晶体的振荡是典型的厚度变形振荡，其理想的振荡状态是只在中央部分振荡，而周围部分不产生振荡。对于 MHz 频带中较低频带的 AT 型石英晶体，大多使用倒角加工，使石英片的中央部分与周围的厚度不同，从而获得该效果。图 2 表示原来的机械加工方式和使用了光刻加工的 QMEMS 方式的概略。由于机械加工利用石英芯片自身重量进行加工，所以石英芯片越小，加工难度越大，偏差也随之增加并影响特性。与此相比，QMEMS 技术的光刻加工不受石英芯片大小的影响，可使石英片的形状保持均一，即便是超小型的石英芯片，也能达到比机械加工更小的偏差，从而实现图 3 所示的优越的温度特性。

综上所述，在高频领域，也能够使用 QMEMS 技术生产出图 1 所示的反向台结构，既保持石英芯片的强度，又能以基波起振高频，以此提供具有稳定性能的产品。

【3】使用反向台形 AT 型石英晶体的产品及其特征

在爱普生的产品中，使用以 QMEMS 技术实现基波起振高频的反向台形 AT 型石英晶体的产品如下：

①SPXO（Simple Packaged Crystal Oscillator，石英晶体振荡器）中的 SG-210S*H、SG-770***/SG-771***；

②VCXO（Voltage Controlled Crystal Oscillator，压控晶体振荡器）中的 VG-45**系列。

VCXO 的频率随外部施加的控制电压而变化，主要应用于基站和光传送设备。近年，由于数据通信不断趋向高速化及大容量化，市场对高频与稳定信号源的需求日益增加。因此，具有高频、良好的温度特性及优越的噪

音特性的 AT型石英晶体已成为备受瞩目的存在。

图 4表示使用反向台形 AT 型石英晶体的 VCXO 产品 VG-4513CB 与本公司原有产品（倍频型）的失真成分比较。

本公司原有产品（以 122.88MHz 起振的 4 倍频） VG-4513CB (以 491.52MHz 的基波起振)

为 获得高频而使用锁相环或倍频电路时（图 4 左），其缺点是将产生信号以外的噪音（失真成分）导致抖动特性下降。使用反向台形 AT 型石英晶体时（图 4 右）能以基波起振高频，因此不会产生类似以前产品的失真成分，实现低抖动特性。以基波直接起振高频的优势大，我们认为它将成为不断增加的基础设备的不可或 缺的关键部件。