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晶体振荡器的应用 李德昌 1引言
石英晶体作为滤波、振荡元件已广泛应用在广播通讯、电子测量、航空、航天等方面。其发展历史只有短短几十年,美国是发展石英晶体最早的国家,而像CORNIGN这样的老牌公司也只是在1941年才注册成立。最近一、二十年来,由于PCS、GSM、GPS、PDC、CDMA等诸多移动通讯技术的需求,石英晶体振荡器中的石英晶体谐振器不再是单一元件,它已发展成为组件,而且几乎全部以集成化、全集成化、全数字化形式展现出来,体积比过去缩小了数倍乃至数十倍。
2晶体振荡器的组成和分类
2.1晶体振荡器的组成
晶体振荡器由晶体振荡电路和输出电路两部分构成。
2.1.1振荡电路
晶体振荡器电路分为并联晶体振荡电路和串联晶体振荡电路,常用并联晶体振荡电路。晶体工作在串联谐振频率ωS和并联谐振频率ωP之间,即呈现感抗。而振荡性能的优劣由晶体的品质、切割取向、振子结构及振荡电路共同决定。图1为AT切割和SC切割的频率温度特性曲线。可以看出,SC切割有高的静态和动态f－t稳定性、良好的老化率和相位噪声,但缺点是频率牵引灵敏度低、成本高。
常用的振荡电路如图2所示。它采用最稳定的一种电容反馈三点式振荡器（称作克拉泼振荡电路）。与考必兹振荡电路不同的是电感支路有个电容器,此电容器可使三极管与回路间的耦合减弱,即减小了三极管对回路的影响,提高了振荡电路的频率稳定性。图3是其等效电路。电路的环路增益等于二极管跨导、谐振电路等效并联电阻和反馈系数之积。反馈系数为Cf=C1/C2,Cf值偏大时,环路增益大,易起振。Cf值过大时,振荡稳定性会变差。
Cf值偏小时,振荡稳定性好,但波形虚,起振困难。一般要折衷考虑,根据经验,图2电路中的三极管射极LC谐振回路应调谐在0.78f,使用电容与基射极所接电容比值通常取1.2～2.4。标频f越高,比值趋近2.4;标频率f越低,比值趋近1.2。电路的振荡幅度与三极管发射极电流和谐振电路等效并联电阻乘积成正比。如要求振荡波形良好,在不考虑振幅的情况下也可由射极输出。
2.1.2输出电路
输出电路的作用是对振荡获得的正弦信号进行缓冲、放大、整形,得到图4所示的标准输出电平,驱动负载或后级门电路。这里,还经常用到逻辑电平转换电路和分频、倍频电路。
其输出正弦波电平用VP－P、VRMS或dBm表示,dBm的计算式为： 必要时,还须注明谐波抑制比。
方波或矩形波输出电平应注明TTL、CMOS、HCMOS还是ECL、直流分量值。并且,表示出占空比、上升时间、下降时间、上冲等脉冲波形其它相应参数。
标准输出负载为50Ω、1kΩ、10kΩ∥10pF或用驱动几个门电路表示,如驱动2个门,5个门电路。
对晶体振荡器的噪声系数有特殊要求时,则应严格设计振荡、放大电路及电源。譬如主振选用低噪声管、低噪声压控电压并使振荡在低电压工作,各级电路必须匹配以保证无反射、辐射。
2.2晶体振荡器常用标频、术语及电源
2.2.1晶体振荡器常用标频（MHz,包括倍频/分频） 1.644.09655.26.4 7.68101212.81315 16.38419.4420263232.768 38.8844.7083336168.7367077.76 2.2.2术语
标称频率
工作温度范围
温度变化的频率稳定度
负载变化的频率稳定度
电源电压变化的频率稳定度
短期稳定性
日老化
年老化
控制电压
控制线性
调整误差
牵引范围或牵引灵敏度
起动电流
稳态电流
相位噪声
2.2.3电源
晶体振荡器应选用稳压性能好、温度漂移小的直流电源。输入电压变化±5％或±10％时,输出电压在10ppm/℃～100ppm/℃之间。常用电源电压为3.3V、5V、9V、12V、24V、－5.2V或－5V。
2.3晶体振荡器的分类
根据振荡电路调频,稳频方法将晶体振荡器分为以下5种：
2.3.1简式晶振PXO（PackagedXtalOsillator）
晶体振荡频率固定,频率温度性能主要由晶体温度性能决定的晶体振荡器被称为简式晶振。其电路简单,但频率稳定度低,常用作时钟振荡器。
晶体等效电路如图5所示,通常
L：10mH～1000mH
C:0.0002pF～0.1pF
R：<100Ω
CO:1pF～100pF
串联谐振频率ωS和并联谐振频率分别为  因 为 COC 故 ω P≈ ω S , 高 达 104～ 106高Q值,加上稳定的电路,可轻易地获得1×10－5的频率温度稳定度。
2.3.2压控晶振VCXO（VoltageControlledXtalOsillator）
用调节外电压的方法改变晶体串联的变容管结电容以牵引振荡频率,称为压控晶振。其可用频率范围为10MHz～1700MHz,典型频率范围为40MHz～80MHz,频率牵引范围为±10ppm～±200ppm,最大为±500ppm。压控晶振也未对晶体进行任何补偿,它主要应用在全球移动通讯、个人蜂窝电话和通讯基站中。
2.3.3温补晶振TCXO（TemperatureCompensatedXtalOsillator）
通过附加温度补偿网络,使环境温度变化后晶体串联回路电容反向变化,以抵消晶体所产生的频率——温度漂移。参见图6温度补偿曲线,Ⅰ为AT切型晶体频率——温度特性曲线,Ⅱ为晶体串联回路补偿曲线,Ⅲ为补偿后的晶体振荡器频率——温度特性曲线。根据补偿网络及其所接位置,将温补晶振分为直接补偿和间接补偿晶振。
1）直接补偿
热敏电阻、电阻和电容组成温补网络,直接串接在晶体电路。图7是其应用实例。
2）间接补偿
基准电压通过电阻、热敏电阻构成的补偿网络,产生随温度而变的电压以改变晶体负载电容,反向补偿晶体频率－温度特性。它分为模式式、数字式两种。
——模拟式
补偿网络输出电压直接驱动一变容二极管。图8为具体电路,补偿网络与变容管间加了一级T型滤波器。这种补偿有线性、3阶、5阶和7阶数种,能够在－40℃～＋85℃宽温范围内获得较好的补偿效果,目前应用最为广泛,并已将它作成专用集成电路芯片。
——数字式
图9示出由温度传感器输出的信号进入ADC变成数字信号,控制μPC正常运作,由DAC再变成模拟信号经匹配电路驱动变容管。图10为数字温补前、后的曲线。因为补偿电路较复杂、成本较高,一般用於移动基站和广播电台等要求较高的地方。表1列出了目前国外同类产品的温补性能供参考。对晶体频率－温度特性进行温度补偿,目的是让晶振频率－温度特性曲线尽量接近于一条直线,若能保持在晶体工作高温拐点（TurningPoint）处,晶振的频率—温度稳定性自然会很高,因为此处df/dt=0。
表1 国外产品的温补性能 | 补偿方法 | 温度稳定性(ppm) | 附加电路 | 外壳尺寸/mm2 | 相位噪声 | | 0～50℃ | －40℃～＋85℃ | | 直 接 | 1 | 5 | 无 | 9×11 | 良好 | | 间接 | 模拟 | 分立 | 0.5 | 1 | 无 | 13×20 | 良好 | | 集成 | 0.3 | 0.5 | 无 | 5×7 | 造中 | | 数 字 | 0.3 | 0.5 | 多 | 5×7 | 差 | 2.3.4恒温晶振OCXO（OvenControlledXtalOsillator）
晶体当前温度所对应的电压与其标称值通过热控放大器进行差动放大,驱动发热元件使槽内晶体温度总是保持在其高温拐点,这样的晶振称为恒温晶振。与前面与所述各种晶振相比,它是最为稳定的一种晶振。它基于冷压焊晶体和内热式晶体,相应的振荡器被称为冷压焊晶体振荡器和内热式晶体振荡器。恒温晶振也可分为单槽、双槽恒温晶振。双槽分内、外槽。晶振和温控置内槽,外槽是一个独立的、置内槽于其中、温度较低的槽。但是,也必须高于环境温度的上限。内控制器只补偿外槽的温度变化,外控制器补偿整个温度范围。热量Q的计算式为：
双槽的热增益可达到10万倍以上。环境温度在－40℃～＋75℃内变化时,晶体温度变化小于0.01℃,振荡器的频率－温度性能可小于±5×10－11。
恒温晶振引入了温度传感器、加热元件、热控制放大电路和恒温槽。
1）冷压焊晶体振荡器电路
这是一种常规的恒温晶体振荡器。优点是加热相对简单,能保证小尺寸情况下频率——温度稳定性达最高;缺点是体积大、功耗高、预热时间长、机械费用高。图11是一个简单的恒温晶振电路。它省去了常规的热控制放大器。在此,PTC热敏电阻器既作温度传感器又作加热元件。
2）内热式晶体振荡器电路
内热式晶体是将用作加热器和传感器的PTC热敏电阻装在毛坯晶体支架金属座上,紫外线清洗后用环氧树脂填充。这样的振荡器相对噪声低、电流损耗小。还有一种内热用组合加热器。它由小型薄膜元件与微型NTC热敏电阻组成,将其直接装在毛坯晶体上,功率管装在特制支架底座上。这种组合式的优点是预热快、功耗小,其预热时间只要30s。内热式的缺点是技术昂贵、热模式复杂。
2.3.5组合晶振VCXO、VCTCXO、VCOCXO
3结语
表2列出了目前国外各种晶振主要性能的最高水平。近几年,我国各地也出现了国外独资、合资晶体谐振器、振荡器和滤波器生产企业,大大促进和提高了晶体振荡器组件产品的技术含量。
表2 各种晶振主要性能对照 | 主要性能 | PXO | VCXO | TCXO | OCXO | | 频率范围/MHz | 0.1～3 | 分频 | 分频 | 分频 | 分频 | | 3～35 | 基频 | 基频 | 基频 | 基频、泛音 | | 30～200 | 泛音 | 泛音高基频 | 泛音、倍频 | 泛音、倍频 | | 150～300 | 泛音 | 相锁、高基频 | 相锁 | — | | 300～2500 | 倍频或相锁 | 相锁 | 相锁 | — | | 频率温度稳定度 | 1×10－5 | 1×10－5 | 1×10－5～1×10－7 | 1×10－7～1×10－11 | | 外形尺寸/mm | | 4.81×5.5×1.9 | DIP8,SO85×7×1 | 18×121×10 |
来源：电子元器件应用
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