光模块搭配——差动式振荡器
节前最后一个交易日,相关个股集体直线拉涨停,引发市场关注
6月21日丨天风国际分析师郭明錤最新指出,近期因AI伺服器需求显著提升,带动光模块需求强劲增长。预期2024年用于AI伺服器的光模块自2H23开始显著成长,并预计在2024年出货量超过100% YoY。AI伺服器光模块需搭配高阶的差动式输出振荡器 (differential oscillator),单价较一般伺服器/消费电子的振荡器高约10-20倍,毛利率为50-60%以上。
石英晶体元器件概述
电子元器件是电子信息产业的基础产业,是推动我国电子信息产业发展的重要支撑力量。石英晶体元器件在日本被称为 “工业之盐”,其在电子设备中无处不在,是电子线路中时钟频率、基准频率信号不可或缺的基础元件,又被称为电子产品的“心脏”的关键器件。
由于石英晶体元器件是利用石英本身所具有 的压电效应、高稳定性、高品质因数、低损耗的物理特性,提供标准频率源和时钟脉冲信号的基础电子元器件(作用),广泛应用于移动通讯、网络设备、汽车电子、物联网、工业控制、模组、光通信 等。
随着物联网、5G、WIFI6、新能源汽车、光通信等行业的迅猛发展,对石英晶体元器 件的个性化需求也在不断提升。对应不同的应用场景需要满足更高的性能指标,
在 5G/WIFI6 的 各应用场景下,石英晶体元器件的封装尺寸逐步向更小尺寸升级迭代,同时要求在-40℃至 105℃ 的范围内保持 ppm 级的频率偏差;
在新能源汽车应用场景下宽温度范围(-40℃-125℃)内能满足 AECQ200 的可靠性要求;在光通信应用场景下具备高基频(100MHz 以上)等。
凡需要频率信号、产生时钟、过滤杂讯等,均可利用石英晶体元器件 的物理特性,实现基本信号的产生、传输、滤波等功能。
AI服务器:需要振荡器来提供基准时钟信号与高速差分时钟信号,满足系统部件的同步时序和高速运算要求。未来伴随全球AI服务器市场的增长,振荡器作为AI服务器不可或缺的元器件,也将迎来新的成长期。
按成本占比看,差动振荡器作为关键元器件的重要作用,其市场规模应占AI服务器总成本的3-5%。各研究机构预测,2025年全球AI服务器市场规模将达到620-970亿美元。基于此可以粗略估算,差动振荡器市场规模可达到19-49亿美元,约为20-50亿美元之间。
光模块:石英晶体谐振器和振荡器在整个光模块中的成本占比不是很高,但却是光模块性能稳定性和可靠性的重要保障。其成本占比通常在百分之一到百分之五之间,不同的光模块中具体占比也会有所不同。
由于石英晶体谐振器和振荡器可以提供高精度的时钟信号和稳定的频率控制,因此在提高光模块速率、增加通信距离、提高带宽等方面扮演着重要角色。这也使得石英晶体谐振器和振荡器在光模块设计的性能及稳定性中发挥着至关重要的作用,虽然其成本相对较低,但它们对于光模块整体性能的提高起到了至关重要的作用
今天主要来讲一下差动式振荡器
差动式输出振荡器(Differential Output Oscillator)是一种特殊类型的振荡器电路,其输出信号以差动方式呈现。差动输出指的是振荡器输出的信号由两个相互反向的振荡信号组成,它们具有相同的幅度但相位相反。这种差分输出对于某些应用非常有用,特别是需要驱动差分信号输入的电路或器件。
差动式输出振荡器的设计基于差动放大器的原理和反馈网络的控制。它通常由几个主要部分组成:差动放大器、反馈网络和功率放大器。
差动放大器是差动式输出振荡器的核心组件。它由两个输入端和一个输出端构成,每个输入端都与一个晶体振荡器或其他类型的振荡源相连接。差动放大器通过放大输入信号并产生差动输出信号,其中一个输出信号是原始信号的反相,另一个输出信号是原始信号的同相。
反馈网络起着关键的作用,它将一部分输出信号馈回到差动放大器的输入端,以提供正反馈。反馈网络通常由电容、电感和电阻等元件组成,其目的是调节振荡器的频率和稳定性。通过调整反馈网络的参数,可以控制振荡器的工作频率和输出振幅。
功率放大器用于放大差动输出信号的幅度,以提供足够的输出功率。它可以是普通的放大器电路,如共射放大器或共基放大器,也可以是特殊设计的功率放大器。
差动式输出振荡器的工作原理是通过正反馈机制实现自持振荡。当反馈增益满足特定条件时,振荡器将开始产生稳定的振荡信号。这些条件包括相位延迟、放大倍数和反馈路径的阻抗等。
差动式输出振荡器在许多领域有广泛的应用。在通信领域,它用于时钟生成、频率合成和数据调制解调。在射频电路中,它用于产生高频信号和调制信号。在数字系统中,它用于数据传输和时序控制。
与传统的单端输出振荡器相比,差动式输出振荡器具有几个优势。
首先,差动输出可以提供更好的抗干扰性能,因为差动信号对于共模干扰具有较强的抵抗能力。
其次,差动输出可以驱动差分输入电路,这对于一些高性能应用非常重要,如差分放大器和差分输入的模拟-数字转换器(ADC)等。
此外,差动式输出振荡器还可以提供更高的输出功率和更低的噪声水平。
总之,差动式输出振荡器是一种重要的电路设计,其差分输出特性使其在许多应用中具有独特的优势。通过合理的电路设计和参数选择,差动式输出振荡器能够提供稳定、高品质的差分输出信号,满足各种工程需求。在不同的领域和应用中,差动式输出振荡器在电子系统的设计和性能优化中起着重要的作用
差分振荡器通常用于高性能系统如40G/200G/400G等以太网来提供高频信号(100MHz及以上)。
应用主要在FPGA时钟、SATA、PCI-E、5G等。
其原理则是差分晶振,差分晶振的性能参数远高于普通的石英晶体振荡器。同时对外部电磁干扰高度免疫,产生的EMI(电磁干扰)较少。
差分晶振具有低电平,低抖动,低功耗、相位低,噪音低,损耗低、精密稳定等特性。
低电压高性能的特性让其适用于高速网络要求,在数据中心中:如超速光纤收发器、网路咯路由器、光纤通信,网络交换机、光纤通信、千兆网、串行ATA、SCSI、高端服务器等应用广泛。
简言之主要的应用点就是在光模块和交换机中。
对于高速光学模块,如主流的PAM4 DSP解决方案。为了使DSP稳定工作,需要一个小型的封装晶体振荡器来提供参考时钟。通常采用156.25MHz的差动晶体振荡器。
根据中国产业信息网的预测,全球晶振至2025年都将处于供不应求的状态,全球需求量将从2019年的1340亿只增加到3125亿只,年复合增长率11.34%。
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