石英晶體振蕩器

　  石英晶體振蕩器是利用石英晶體（二氧化硅的結(jié)晶體）的壓電效應制成的一種諧振器件，它的基本結(jié)構(gòu)大致是從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳 上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。石英晶體的壓電效應：若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產(chǎn)生機械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機械壓力，則在晶片相應的方向上將產(chǎn)生電場，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應。注意，這種效應是可逆的。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產(chǎn)生機械振動，同時晶片的機械振動又會產(chǎn)生交變電場。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。

　　石英晶體振蕩器分非溫度補償式晶體振蕩器、溫度補償晶體振蕩器（TCXO）、電壓控制晶體振蕩器（VCXO）、恒溫控制式晶體振蕩器（OCXO）和數(shù)字化/μp補償式晶體振蕩器（DCXO/MCXO）等幾種類型。其中，無溫度補償式晶體振蕩器是最簡單的一種，在日本工業(yè)標準(JIS)中，稱其為標準封裝晶體振蕩器（SPXO）。現(xiàn)以SPXO為 例，簡要介紹一下石英晶體振蕩器的結(jié)構(gòu)與工作原理。

　　石英晶體，有天然的也有人造的，是一種重要的壓電晶體材料。石英晶體本身并非振蕩器，它只有借助于有源激勵和無源電抗網(wǎng)絡方可產(chǎn)生振蕩。SPXO主要是由品質(zhì)因數(shù)（Q）很高的晶體諧振器（即晶體振子）與反饋式振蕩電路組成的。石英晶體振子是振蕩器中的重要元件，晶體的頻率（基頻或n次諧波頻率）及其溫度特性在很大程度上取決于其切割取向。石英晶體諧振器的基本結(jié)構(gòu)、（金屬殼）封裝及其等效電路。只要在晶體振子板極上施加交變電壓，就會使晶片產(chǎn)生機械變形振動，此現(xiàn)象即所謂逆壓電效應。當外加電壓頻率等于晶體諧振器的固有頻率時，就會發(fā)生壓電諧振，從而導致機械變形的振幅突然增大。

　　石英晶體振蕩器的應用：1、石英鐘走時準、耗電省、經(jīng)久耐用為其最大優(yōu)點。不論是老式石英鐘或是新式多功能石英鐘都是以石英晶體振蕩器為核心電路，其頻率精度決定了電子鐘表的走時精度。石英晶體振蕩器原理的示意如圖3所示，其中V1和V2構(gòu)成CMOS反相器石英晶體Q與振蕩電容C1及微調(diào)電容C2構(gòu)成振蕩系統(tǒng)，這里石英晶體相當于電感。振蕩系統(tǒng)的元件參數(shù)確定了振頻率。一般Q、C1及C2均為外接元件。另外R1為反饋電阻，R2為振蕩的穩(wěn)定電阻，它們都集成在電路內(nèi)部。故無法通過改變C1或C2的數(shù)值來調(diào)整走時精度。但此時仍可用加接一只電容C有方法，來改變振蕩系統(tǒng)參數(shù)，以調(diào)整走時精度。根據(jù)電子鐘表走時的快慢，調(diào)整電容有兩種接法：若走時偏快，則可在石英晶體兩端并接電容C，如圖4所示。此時系統(tǒng)總電容加大，振蕩頻率變低，走時減慢。若走時偏慢，則可在晶體支路中串接電容C。如圖5所示。此時系統(tǒng)的總電容減小，振蕩頻率變高，走時增快。只要經(jīng)過耐心的反復試驗，就可以調(diào)整走時精度。因此，晶振可用于時鐘信號發(fā)生器。

    晶振電路圖

    2、隨著電視技術(shù)的發(fā)展，近來彩電多采用500kHz或503kHz的晶體振蕩器作為行、場電路的振蕩源，經(jīng)1/3的分頻得到15625Hz的行頻，其穩(wěn)定性和可靠性大為提高。面且晶振價格便宜，更換容易。

　　3、在通信系統(tǒng)產(chǎn)品中，石英晶體振蕩器的價值得到了更廣泛的體現(xiàn)，同時也得到了更快的發(fā)展。許多高性能的石英晶振主要應用于通信網(wǎng)絡、無線數(shù)據(jù)傳輸、高速數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?

溫度補償晶體振蕩器

　　溫度補償晶體振蕩器（TCXO）是通過附加的溫度補償電路使由周圍溫度變化產(chǎn)生的振蕩頻率變化量削減的一種石英晶體振蕩器。TCXO中，對石英晶體振子頻率溫度漂移的補償方法主要有直接補償和間接補償兩種類型：

石英晶體振蕩器

   （1）直接補償型 直接補償型TCXO是由熱敏電阻和阻容元件組成的溫度補償電路，在振蕩器中與石英晶體振子串聯(lián)而成的。在溫度變化時，熱敏電阻的阻值和晶體等效串聯(lián)電容容值相應變化，從而抵消或削減振蕩頻率的溫度漂移。該補償方式電路簡單，成本較低，節(jié)省印制電路板（PCB）尺寸和空間，適用于小型和低壓小電流場合。但當要求晶體振蕩器精度小于±1pmm時，直接補償方式并不適宜。

　?。?）間接補償型 間接補償型又分模擬式和數(shù)字式兩種類型。模擬式間接溫度補償是利用熱敏電阻等溫度傳感元件組成溫度－電壓變換電路，并將該電壓施加到一支與晶體振子相串接的變?nèi)荻O管上，通過晶體振子串聯(lián)電容量的變化，對晶體振子的非線性頻率漂移進行補償。該補償方式能實現(xiàn)±0.5ppm的高精度，但在3V以下的低電壓情況下受到限制。數(shù)字化間接溫度補償是在模擬式補償電路中的溫度—電壓變換電路之后再加一級模/數(shù)（A/D）變換器，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。該法可實現(xiàn)自動溫度補償，使晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度非常高，但具體的補償電路比較復雜，成本也較高，只適用于基地站和廣播電臺等要求高精度化的情況。

　　TCXO發(fā)展現(xiàn)狀

    電子器件

    TCXO在近十幾年中得到長足發(fā)展，其中在精密TCXO的研究開發(fā)與生產(chǎn)方面，日本居領(lǐng)先和主宰地位。在70年代末汽車電話用TCXO的體積達20 以上，目前的主流產(chǎn)品降至0.4 ，超小型化的TCXO器件體積僅為0.27 。在30年中，TCXO的體積縮小了50余倍乃至100倍。日本京陶瓷公司采用回流焊接方法生產(chǎn)的表面貼裝TCXO厚度由4mm降至2mm，在振蕩啟動4ms后即可達到額定振蕩幅度的90％。金石（KSS）集團生產(chǎn)的TCXO頻率范圍為2～80MHz，溫度從－10℃到60℃變化時的穩(wěn)定度為±1ppm或±2ppm；數(shù)字式TCXO的頻率覆蓋范圍為0.2～90MHz，頻率穩(wěn)定度為±0.1ppm（－30℃～＋85℃）。日本東澤通信機生產(chǎn)的TCO－935/937型片式直接溫補型TCXO，頻率溫度特性（點頻15.36MHz）為±1ppm/－20～＋70℃，在5V±5％的電源電壓下的頻率電壓特性為±0.3ppm，輸出正弦波波形（幅值為1VPP），電流損耗不足2mA，體積1 ，重量僅為1g。PiezoTechnology生產(chǎn)的X3080型TCXO采用表面貼裝和穿孔兩種封裝，正弦波或邏輯輸出，在－55℃～85℃范圍內(nèi)能達到±0.25～±1ppm的精度。國內(nèi)的產(chǎn)品水平也較高，如北京瑞華欣科技開發(fā)有限公司推出的TCXO（32～40MHz）在室溫下精度優(yōu)于±1ppm，第一年的頻率老化率為±1ppm，頻率（機械）微調(diào)≥±3ppm，電源功耗≤120mw。目前高穩(wěn)定度的TCXO器件，精度可達±0.05ppm。

    溫度補償晶體振蕩器

    高精度、低功耗和小型化，仍然是TCXO的研究課題。在小型化與片式化方面，面臨不少困難，其中主要的有兩點：一是小型化會使石英晶體振子的頻率可變幅度變小，溫度補償更加困難；二是片式封裝后在其回流焊接作業(yè)中，由于焊接溫度遠高于TCXO的最大允許溫度，會使晶體振子的頻率發(fā)生變化，若不采限局部散熱降溫措施，難以將TCXO的頻率變化量控制在±0.5×10－6以下。但是，TCXO的技術(shù)水平的提高并沒進入到極限，創(chuàng)新的內(nèi)容和潛力仍較大。

　　TCXO的應用

　　石英晶體振蕩器的發(fā)展及其在無線系統(tǒng)中的應用，由于TCXO具有較高的頻率穩(wěn)定度，而且體積小，在小電流下能夠快速啟動，其應用領(lǐng)域重點擴展到移動通信系統(tǒng)。TCXO作為基準振蕩器為發(fā)送信道提供頻率基準，同時作為接收通道的第一級本機振蕩器；另一只TCXO作為第2級本機振蕩器，將其振蕩信號輸入到第2變頻器。目前移動電話要求的頻率穩(wěn)定度為0.1～2.5ppm（－30～＋75℃），但出于成本上的考慮，通常選用的規(guī)格為1.5～2.5ppm。移動電話用12～20MHz的TCXO代表性產(chǎn)品之一是VC－TCXO－201C1，采用直接補償方式，，由日本金石（KSS）公司生產(chǎn)。

　　應用： 測試設備

    溫度補償晶體振蕩器

    頻率范圍： 1MHz-160MHz

　　常用頻點： 4 5 5.12 6 6.4 8.192 9.216 10 10.24 12 12.8 13 14.4 15.36 16.38 16.384 19.44 19.68 19.8 20 30.72 32.768 36.864 38.88 40 52 50 77.76 80 100 155.52

　　電壓控制晶體振蕩器

　　電壓控制晶體振蕩器（VCXO），是通過施加外部控制電壓使振蕩頻率可變或是可以調(diào)制的石英晶體振蕩器。在典型的VCXO中，通常是通過調(diào)諧電壓改變變?nèi)?/span>二極管的電容量來“牽引”石英晶體振子頻率的。VCXO允許頻率控制范圍比較寬，實際的牽引度范圍約為±200ppm甚至更大。如果要求VCXO的輸出頻率比石英晶體振子所能實現(xiàn)的頻率還要高，可采用倍頻方案。擴展調(diào)諧范圍的另一個方法是將晶體振蕩器的輸出信號與VCXO的輸出信號混頻。與單一的振蕩器相比，這種外差式的兩個振蕩器信號調(diào)諧范圍有明顯擴展。

　　在移動通信基地站中作為高精度基準信號源使用的VCXO代表性產(chǎn)品是日本精工·愛普生公司生產(chǎn)的VG－2320SC。這種采用與IC同樣塑封的4引腳器件，內(nèi)裝單獨開發(fā)的專用IC，器件尺寸為

溫度補償晶體振蕩器

12.6mm×7.6mm×1.9mm，體積為0.19 。其標準頻率為12～20MHz，電源電壓為3.0±0.3V，工作電流不大于2mA，在－20～＋75℃范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定度≤±1.5ppm，頻率可變范圍是±20～±35ppm，啟動振蕩時間小于4ms。金石集團生產(chǎn)的VCXO，頻率覆蓋范圍為10～360MHz，頻率牽引度從±60ppm到±100ppm。VCXO封裝發(fā)展趨勢是朝SMD方向發(fā)展，并且在電源電壓方面盡可能采用3.3V。日本東洋通信機生產(chǎn)的TCO－947系列片式VCXO，早在90年代中期前就應用于汽車電話系統(tǒng)。該系列VCXO的工作頻率點是12.8MHz、13MHz、14.5MHz和15.36MHz，頻率溫度特性±2.5ppm/－30～＋75℃，頻率電壓特性±0.3ppm/5V±5％，老化特性±1ppm/年，內(nèi)部采用SMD/SMC，并采用激光束和汽相點焊方式封裝，高度為4mm。日本富士電氣化學公司開發(fā)的個人手持電話系統(tǒng)（PHS）等移動通信用VCXO，共有兩大類六個系列，為適應SMT要求，全部采用SMD封裝。Saronix的S1318型、Vectron國際公司的J型、Champion技術(shù)公司的K1526型和Fordahi公司的DFVS1－KH/LH等VCXO，均是表面貼裝器件，電源電壓為3.3V或5V，可覆蓋的頻率范圍或最高頻率分別為32～120MHz、155MHz、2～40MHz和1－50MHz，牽引度從±25ppm到±150ppm不等。MF電子公司生產(chǎn)的T－VCXO系列產(chǎn)品尺寸為5mm×7mm，曾被業(yè)內(nèi)認為是外形尺寸最小的產(chǎn)品，但這個小型化的記錄很快被打破。新推出的雙頻終端機用VCXO尺寸僅為5.8mm×4.8mm，并且有的內(nèi)裝2只VCXO。Raltron電子公司生產(chǎn)的VX－8000系。

溫度補償晶體振蕩器

應用： 移頻直放站、測試設備、蜂窩基站

　　頻率范圍：　1MHz-200MHz

　　常用頻點： 12.8 13 15.36 16.38 16.384 18.432 19.44 20 30.72 32.768 36.864 38.88 40 44.545 51.2 58.078 65 70 73.6 100 107.374 120 131.04 135.56

　　恒溫控制晶體振蕩器

　　恒溫控制晶體振蕩器（OCXO）是利用恒溫槽使晶體振蕩器或石英晶體振子的溫度保持恒定，將由周圍溫度變化引起的振蕩器輸出頻率變化量削減到最小的晶體振蕩器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。在OCXO中，有的只將石英晶體振子置于恒溫槽中，有的是將石英晶體振子和有關(guān)重要元器件置于恒溫槽中，還有的將石英晶體振子置于內(nèi)部的恒溫槽中，而將振蕩電路置于外部的恒溫槽中進行溫度補償，實行雙重恒溫槽控制法。利用比例控制的恒溫槽能把晶體的溫度穩(wěn)定度提高到5000倍以上，使振蕩器頻率穩(wěn)定度至少保持在1×10－9。OCXO主要用于移動通信基地站、國防、導航、頻率計數(shù)器、頻譜和網(wǎng)絡分析儀等設備、儀表中。OCXO是由恒溫槽控制電路和振蕩器電路構(gòu)成的。通常人們是利用熱敏電阻“電橋構(gòu)成的差動串聯(lián)放大器，來實現(xiàn)溫度控制的。具有自動增益控制（AGC）的（C1app）振蕩電路，是目前獲得振蕩頻率高穩(wěn)定度的比較理想的技術(shù)方案。OCXO的技術(shù)水平有了很大的提高。日本電波工業(yè)公司開發(fā)的新器件功耗僅為老產(chǎn)品的1/10。在克服OCXO功耗較大這一缺點方面取得了重大突破。該公司使用應力補償切割（SCCut）石英晶體振子制作的OCXO，與使用AT切形石英晶體振子的OCXO比較，具有高得多的頻率穩(wěn)定度和非常低的相位噪聲。相位噪聲是指信號功率與噪聲功率的比率（C/N），是表征頻率顫抖的技術(shù)指標。在對預期信號既定補償處，以1Hz帶寬為單位來測量相位噪聲。Bliley公司用AT切形晶體制作的NV45A在補償點10Hz、100Hz、1kHz和10kHz處的相位噪聲分別為100、135、140和145dBc/Hz，而用SC切割晶體制成的同樣OCXO，則在所有補償點上的噪聲性能都優(yōu)于5dBc/Hz。 ”

    電壓控制晶體振蕩器

金石集團生產(chǎn)的OCXO，頻率范圍為5～120MHz，在－10～＋60℃的溫度范圍內(nèi)，頻率穩(wěn)定度有±0.02、±0.03和±0.05ppm，老化指標為±0.02ppm/年和±0.05ppm/年。Oak頻率控制公司的4895型4.096～45MHz雙恒溫箱控制OCXO，溫度穩(wěn)定度僅為0.002ppm（2×10－10）/0～75℃；4895型OCXO的尺寸是50.8mm×50.8mm×38.3mm，老化率為±0.03ppm/年。如果體積縮小一點，在性能指標上則會有所犧牲。Oak公司生產(chǎn)的10～25MHz表面貼裝OCXO，頻率穩(wěn)定度為±0.05ppm/0～70℃。PiezoCrystal的275型用于全球定位系統(tǒng)（GPS）的OCXO采用SC切形石英晶體振子，在0～75℃范圍內(nèi)總頻偏小于±0.005ppm，最大老化率為±0.005ppm/年。Vectron國際公司的CO－760型OCXO，尺寸為25.4mm見方，高12.7mm，在OCXO產(chǎn)品中，體積算是較小的。隨著移動通信產(chǎn)品的迅猛增長，對OCXO的市場需求量會逐年增加。OCXO的發(fā)展方向是順應高頻化、高頻率穩(wěn)定度和低相位噪聲的要求，但在尺寸上的縮小余地非常有限。

　　應用：GPS時鐘、移頻直放站、基站、接入網(wǎng)、測試設備

    電壓控制晶體振蕩器

    特點：低相位噪聲、高穩(wěn)定度

　　頻率范圍：　1MHz－160 MHz

　　常用頻點： 4.096 5 5.12 6.4 8.192 9.8304 10 10.23 10.24 12 12.8 13 15.36 15.6 16.38 16.384 19.44 20 30.72 32.768 36.864 38.88 40 40.545 51.2 58.078 65 73.6 77.76 80 100 107.374 120 131.04 160