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電路的組合而獲得高頻輸出的方法。用這種方法可以發揮石英晶體單元所具有的穩定的溫度特性，但也存在著起振石英晶體單元的振蕩電路設計較為復雜，以及難以抑制抖動和相位噪音的課題。若能在使用石英晶體元器件的同時以基波起振高頻，則可以抑制高諧波，由此獲得具有良好的抖動特性和相位噪音特性的輸出信號。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，在加工方法和機械性強度等方面存在著制約。本次，我們將對 SAW 振蕩器進行解說。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傳播的彈性波，其振幅隨深度的增加而呈指數式衰減。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）產生并檢測得出。如果把表面聲波的傳播速度設定為 V，叉指換能器的周期設定為 λ，就可以通過公式 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 諧振器的中央設置叉指換能器，在其兩側設置反射器。通過把叉指換能器激勵產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 諧振器的中央設有兩只用于輸入和輸出的叉指換能器，在其兩側配備了反射器。它的工作原理與單端口 SAW 諧振器一樣，也能實現高 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。它與一個放大器相組合形成反饋環路后可以簡單起振。因此，雙端口 SAW 諧振器與單端口同樣經常被使用，尤其能在高頻領域發揮真正價值。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 諧振器的振動模式是彈性表面波(參照圖3右)，其頻率與石英晶片的厚度無關，而由石英晶片上形成的又指換能器的寬度來決定。因此，只要改變叉指換能器圖案,即可應對十兆赫至幾千兆赫的高頻。與此相對，AT 型石英晶體的振動模式是厚度變形振蕩(參照圖3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對的頻率范圍是以基波起振時為 10MHz至 50MHz，以三次諧波起振時為 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)還具有以下優點:其一，影響主振動模式的振動(噪音)少:其二，制作時將在 SAW 諧振器的又指換能器上形成保護膜，所以能耐附著在膜上的雜質。由于這些效果，將 SAW 諧振器組裝到振蕩器時，就能夠實現低抖動特性并避免振蕩停止等風險。

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

關于這個問題，愛普生在 SAW 諧振器產品中采用了獨自技術進行了改善，使二次曲線的變動幅度與原來的溫度特性相比變得更緩(圖4右的實線):還能提供類似于 AT 型石英品體溫度特性的高精度品，在較寬的溫度范圍內保持穩定。

圖 3:AT 型石英晶體、SAW諧振器的振動模式

圖 4:AT 型石英晶體、SAW諧振器的溫度特性圖

【3】SAW 諧振器的優越性[特性比較]

以上說明了 AT 型石英晶體和 SAW 諧振器。對實際市場中提供的可輸出高頻的振蕩器（AT 型石英晶體和鎖相環電路的組合與 SAW 振蕩器）進行比較，可以得出 SAW 振蕩器的優點在于相位噪音及相位抖動特性相對優越和耗電量少之處。在下一頁中，我們將通過與 AT 型石英晶體和鎖相環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

鎖相環電路鎖定壓控振蕩器（以下稱為“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，并將顯示在鎖相環電路的高頻領域，因此將使相位噪音曲線的一部分變大。而且，頻率倍數也將改變低頻的相位噪音水平，所以倍數越大相位噪音特性越差。被稱為低抖動鎖相環電路的產品通過減少 VCO 噪音以及設定較小的倍數，實現低相位噪音（上述圖 5 的 AT+PLL 振蕩器顯示的是低抖動鎖相環電路產品的特性）。

【3-2】消耗電流

鎖相環振蕩器由振蕩電路和鎖相環電路組成，一般情況下，鎖相環電路需要消耗更多的電流。而且，增大信號成份（增幅）是減少相位噪音的有效方法，因此將消耗更多的電流。設計中常用 GHz 帶的 VCO，這也將增大耗電量。與此相對比，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簡單，所以能夠把耗電量控制在較小程度。

如上所示，SAW 振蕩器兼備低相位抖動特性和耗電量少的優點。因此，對于需要低誤碼率和低耗電量的電

子部件的顧客或應用程序，SAW 振蕩器是最佳選擇。愛普生準備了豐富充實的 SAW 振蕩器陣容，今后亦將不斷地開發和提供符合顧客各種需求的產品。