Welcome to the Epson’s SPXO and VCXO product training module. The purpose of this module is to educate about crystal oscillators, specifically SPXOs and VCXOs, and the benefits over discrete oscillation designs and insights into Epson’s QMEMS technology.  The module will also provide an overview of Epson’s SPXO and VCXO offerings. 

1

The role of a timing device in electronic equipment is vital. A simply analogy is to compare it to the human body. If one thinks of a timing device as the heart, then the clock it outputs is the pulse, and the frequency the clock generates is the pulse count that feeds the ICs.

2

A crystal oscillator is a single‐package integrated device that combines a crystal unit with an oscillation circuit, providing an output waveform at a specific frequency. Surface mount crystal oscillators typically come in a ceramic package with an open quartz crystal chip or a plastic package with a packaged crystal unit. Epson has a large portfolio of crystal oscillators in both types of packages. 

3

There are several benefits in using a crystal oscillator over a discrete oscillation design. It is pre‐optimized and guaranteed for accuracy, precision, stability and low power operation. In addition, the compact size and the fact that it only needs a power connection to function, gives board designers extra flexibility of their circuit board real estate. These advantages enable designers to greatly reduce their design risk, as well as save time and money.

4

Epson utilizes a photolithographic process called Q‐MEMS to create uniformly shaped miniature crystal chips which are used in their sub‐miniature crystal units and crystal oscillators. As an example, for the same size 2.0x1.6mm crystal unit, the QMEMS process provides outstanding temperature characteristics with minimal frequency variation compared to the conventional mechanical possessing technique. For your reference, the QMEMS symbol is indicated next to products utilizing this technology in this presentation. 

5

An important term to understand is frequency stability. Unlike a crystal unit where frequency tolerance is just the frequencydeviation at 25C, for a crystal oscillator the frequency stability is the overall frequency deviation which includes deviation at 25C, over the temperature range, reflow drift, supply voltage and output load. Aging may or may not be included depending on the type of oscillator. The common outputs are single‐ended like CMOS and differential outputs like LVDS, LVPECL and HCSL. Differential outputs are a newer technology and has many advantages including fast bit rates, low power consumption and good noise performance.

6

For crystal oscillators that have a voltage‐control function, called a VCXO, the designer can tune the output frequency by varying the voltage control (Vc) pin, typically pin 1. Internally, a voltage variable capacitor, or varactor, is put in series with the crystal. The varactor changes its capacitance based on the tuning voltage applied and in turn the crystal will change its associated frequency based on the capacitive load it sees at its input.For a VCXO, another important term to know is Absolute Pull Range (APR). APR is the minimum pull range minus the frequency tolerance and aging.

7

A little background on the acronyms: Historically, in the US, military requirements have been the main impetus for research on crystal oscillators. The US Army sponsored most of the research, especially in the early days. According to folklore, the abbreviation XO instead of CO came about because, in the military, CO is the abbreviation for "commanding officer" and because "crystal" sounds a little like "xtal". The rest of this module will focus on SPXO and VCXO, although Epson offers all the other high‐end oscillator as well. An SPXO is a simple type of oscillator that consists of a crystal unit and an oscillation circuit, with no voltage control or temperature compensation.A VCXO is similar to the SPXO, but has  a voltage control function to vary the output frequency.For example, a VCXO used in a data application is used to lock onto incoming data which maybe at a slightly different clock frequency from the system, thus synchronizing with system timing to avoid missing or dropping data packets.

8

Timing devices like SPXOs and VCXOs can be found in all sorts of electronic applications. On Epson’s website, one may find the recommended timing devices categorized by the various features and functions of the associated application. This is an example for a Network application. 

9

10

Epson offers SPXOs in various package sizes and types, frequency ranges, output types, tolerances and voltages from 1.2V to 5.5V. These SPXOs can also be referred to as “fixed frequency” since the frequency output is not programmable. The small SG‐3030/3040LC, SG‐210STF, ST‐210S*H, SG‐770 and SG‐771PCD internal crystal is made by the QMEMS process. Additional  details on the two newest products are discussed in next few slides.

The SG‐210STF is a crystal oscillator available from 1‐60MHz that is in the popular 2.5x2.0mm size ceramic package. It offers frequency stabilities as tight as +/‐25ppm. Industrial temp. range is available with 50ppm and both 50 or 100 ppm are available from ‐40 to +105 degrees C. Low current consumption, operating voltages between 1.6 and 3.6 volts and excellent phase noise make the SG‐210STF a good choice for many applications. With QMEMS, Epson is again able to simultaneously offer both small size and superior oscillation characteristics, truly providing board designers with time and board space flexibility. 

11

The SG‐210S*H is new high frequency fundamental mode oscillator capable of a frequency range of 80 to 170MHz. The oscillator is in the popular 2.5x2.0mm size ceramic package.Versions are available in 1.8, 2.5 or 3.3 volts.  50 and 100ppm are available in the Industrial temp. range. The SG‐210S*H offers high performance phase jitter as tight as 0.6ps max and typical peak to peak jitter as low as 20ps.With the QMEMS process, Epson is able to simultaneously offer both small size and superior oscillation characteristics. 

12

Epson also has programmable oscillators with the SG‐8002 and newer SG‐8003 series. Programmable oscillators have less than 3weeks lead‐time or less depending on the availability of blanks and are all pin compatible to its fixed‐frequency equivalent.  Designers who need parts quickly for a proto‐build may use a programmable until the fixed‐frequency equivalent arrives or may continue to use the programmable for mass production. Many customers approve a programmable part as a second source to smooth out demand fluctuation with the fixed‐frequency version. The SG‐8002 series is an ideal choice for a larger package size than 7.0x5.0mm  and 5V operation. Otherwise, the newer SG‐8003 series is a better choice with a smaller package size, an extended frequency range, a lower supply voltage option, lower current and an additional frequency tolerance option, as highlighted in blue. 

13

Epson also manufacturers specialty SPXOs such as spread spectrum and high stability oscillators. By using a spread spectrum oscillator,  a system’s EMI levels could be reduced by ‐10dB to help the system pass FCC regulatory EMI testing. Spread spectrum oscillator works by spreading the energy out by modulating the frequency, instead of concentrating all the frequency reference energy on a single frequency. Epson spread spectrum oscillators are available in three sizes, 12 different spread patterns and a wide frequency range from 10MHz to 166MHz. The SG‐9001CA also allows the spread spectrum function to be turned on and off to test EMIlevels. Epson’s SG‐211S*E and HG‐2150CA high stability oscillators are unique in their ability to meet +/‐15ppm frequency stability.

14

Epson offers VCXOs in various package sizes and types, frequency ranges from 1MHz to 800MHz, output types, multiple tolerances and APRs, and voltages from 1.8V to 5.5V.  For VCXOs with frequencies above 60MHz, the QMEMS process is once again applied. To increase the frequency of a crystal unit, the crystal chip has to be made thinner using a QMEMS process technology since the degree to which chips could be thinned with conventional processing is limited. QMEMS allows Epson to overcome this limitation by thinning only the area of the chip near the excitation electrode (to create a reverse‐mesa structure), thus maintaining the strength of the crystalchip. This allows a desired High Frequency Fundamental (HFF) oscillation to stabilize high‐speed, high‐volume data transmissions whilesuppressing nearby high‐frequency spurious components (note the orange circles in bottom right figure). 

15

The VG‐4501CA/4502CA are 3.3V VCXOs capable of +/‐50ppm frequency tolerance over the industrial temperature range. The VG‐4501CA is available from 80‐170MHz with options of +/‐50 or +/‐100ppm APR depending on frequency.The VG‐4502CA is available from 80‐120MHz with an APR of +/‐100ppm.The VCXOs are available with six possible combinations of frequency tolerances, temperature ranges and APRs. 

16

The VG‐4513CB is perfect for high speed networking applications with a frequency range of 100MHz up to 500MHz and operating in a fundamental mode. This VCXO exhibits extremely good phase noise which design engineers require. The +/‐50ppm frequency tolerance includes 10 years frequency aging. The VG‐4513CB is available in 18 different possible combinations of temperature ranges, APRs and active high or low output enable options. 

17

In summary, the many benefits of using a crystal oscillator over a discrete oscillation design enables designers to greatly reduce their design risk, as well as save time and money. Epson offers both kHz and MHz oscillators in various package sizes and types, frequency ranges, output types, tolerances and supply voltages. Programmable oscillators are also readily available for proto‐builds and production if its fixed‐frequency equivalent is experiencing demand fluctuations.  With the QMEMS photolithographic process, Epson is able to provide sub‐miniature package sizes and high frequency fundamental SPXOs and VCXOs while maintaining superior oscillation performance. With an extensive portfolio of SPXOs, VCXOs, other types of high‐end oscillators and a crystal units, Epson is truly a one‐stop shop for timing devices. 

18