電壓控制晶體振蕩器

1、 電壓控制晶體振蕩器（VCXO ），是通過(guò)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(guò)調(diào)諧電壓改變變 容二極管的電容量來(lái) 牽引”石英晶體振子頻率的。VCXO允許頻率控制范圍比較 寬，實(shí)際的牽引度范圍約為i200ppm甚至更大。如果要求VCXO的輸出頻率比 石英晶體振子所能實(shí)現(xiàn)的頻率還要高，可采用倍頻方案。擴(kuò)展調(diào)諧范圍的另一個(gè) 方法是將晶體振蕩器的輸出信號(hào)與 VCXO的輸出信號(hào)混頻。與單一的振蕩器相 比，這種外差式的兩個(gè)振蕩器信號(hào)調(diào)諧范圍有明顯擴(kuò)展。 在移動(dòng)通信基地站中作為高精度基準(zhǔn)信號(hào)源使用的VCXO代表性產(chǎn)品是日本精 工愛(ài)普生公司生產(chǎn)的VG 2

2、320SC。這種采用與IC同樣塑封的4引腳器件， 內(nèi)裝單獨(dú)開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用IC,器件尺寸為12.6mmK 7.6mmx 1.9mm，體積為0.19 。 其標(biāo)準(zhǔn)頻率為1220MHz，電源電壓為3.0 ）.3V，工作電流不大于2mA，在 20+ 75 C范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定度 1.5ppm頻率可變范圍是2035ppm，啟 動(dòng)振蕩時(shí)間小于4ms。金石集團(tuán)生產(chǎn)的VCXO，頻率覆蓋范圍為10360MHz， 頻率牽引度從50ppm到00ppm。VCXO封裝發(fā)展趨勢(shì)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(jī)生產(chǎn)的TCO 947系列 片式VCXO ,早在90年代中期前就應(yīng)用于汽車(chē) 電話(huà)

3、系統(tǒng)。該系列VCXO的工作 頻率點(diǎn)是 12.8MHz、13MHz、14.5MHz 和 15.36MHz，頻率溫度特性 2.5ppm/ 30+ 75C,頻率電壓特性）.3ppm/5V5%,老化特性ppm/年，內(nèi)部采用 SMD/SMC，并采用激光束和汽相點(diǎn)焊方式封裝，高度為 4mm。日本富士電氣 化學(xué)公司開(kāi)發(fā)的個(gè)人手持電話(huà)系統(tǒng)（PHS ）等移動(dòng)通信用VCXO,共有兩大類(lèi) 六個(gè)系列，為適應(yīng)SMT要求，全部采用SMD封裝。Saronix的S1318型、Vectron 國(guó)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

4、為 3.3V或5V，可覆蓋的頻率 范圍或最高頻率分別為 32120MHz、155MHz、240MHz和1 50MHz，牽 引度從Z5ppm到50ppm不等。MF電子公司生產(chǎn)的T VCXO系列產(chǎn)品尺寸 為5mmc 7mm，曾被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是外形尺寸最小的產(chǎn)品，但這個(gè)小型化的記錄很 快被打破。新推出的雙頻終端機(jī)用 VCXO尺寸僅為5.8mmx 4.8mm，并且有的 內(nèi)裝2只VCXO。Raltron電子公司生產(chǎn)的 VX 8000系。 應(yīng)用： 移頻直放站、測(cè)試設(shè)備、蜂窩基站 頻率范圍： 1MHz-200MHz 常用頻點(diǎn)：12.8 13 15.36 16.38 16.384 18.432 19.44 20

5、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 外形圖： 丘?S玉 也沖宅缶 電壓控制晶體振蕩器 1、小型化、薄片化和片式化：為滿(mǎn)足移動(dòng)電話(huà)為代表的便攜式產(chǎn)品輕、薄、 短小的要求，石英晶體振蕩器的封裝由傳統(tǒng)的裸金屬外殼覆塑料金屬向陶 瓷封裝轉(zhuǎn)變。例如TCXO這類(lèi)器件的體積縮小了 30100倍。采用SMD 封裝的TCXO厚度不足2mm，目前5X3mm尺寸的器件已經(jīng)上市。 2、高精度與高穩(wěn)定度，VCXO的頻率穩(wěn)定度在107C范圍內(nèi)一般可達(dá) 坐0 100ppm 4、低功能

6、，快速啟動(dòng)，低電壓工作，低電平驅(qū)動(dòng)和低電流消耗已成為一 個(gè)趨勢(shì)。電源電壓一般為3.3V。許多VCXO產(chǎn)品，電流損耗不超過(guò)2mA。 石英晶體振蕩器的快速啟動(dòng)技術(shù)也取得突破性進(jìn)展。例如日本精工生產(chǎn)的 VG 2320SC型VCXO，在0.1ppm規(guī)定值范圍條件下，頻率穩(wěn)定時(shí)間 小于4ms。 2、 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(yīng)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(jiǎn)稱(chēng)為晶片，它可以是正方形、矩形或 圓形等），在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個(gè)電極上各焊一根引線(xiàn)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(jiǎn)稱(chēng)為石英晶體

7、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(yīng)：若在石英晶體的兩個(gè)電極上 加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向 上將產(chǎn)生電場(chǎng)，這種 物理現(xiàn)象稱(chēng)為 壓電效應(yīng)。注意，這種效應(yīng)是可逆的。 如果在晶片的兩極上加 交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶 片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅 明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱(chēng)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

8、狀、尺寸等有關(guān)。 石英晶體振蕩器分非溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器、溫度補(bǔ)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/卩p補(bǔ)償式晶體振蕩器（DCXO/MCXO ） 等幾種類(lèi)型。其中，無(wú)溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器是最簡(jiǎn)單的一種，在日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS）中，稱(chēng)其 為標(biāo)準(zhǔn)封裝晶體振蕩器（SPXO ）?，F(xiàn)以SPXO為例，簡(jiǎn)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(lì)和無(wú)源電抗網(wǎng)絡(luò)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

9、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(huì)使晶片產(chǎn) 生機(jī)械變形振動(dòng)， 此現(xiàn)象即所謂逆壓電效應(yīng)。當(dāng)外加電壓頻率等于晶體諧振器的固有頻率時(shí)，就 會(huì)發(fā)生壓電諧振，從而導(dǎo)致機(jī)械變形的振幅突然增大。 采用500kHz或503kHz的晶體振蕩器作為行、場(chǎng)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(jià)格便宜，更換容易。 3、在通信系統(tǒng)產(chǎn)品中，石英晶體振蕩器的石英晶體振蕩器

10、的應(yīng)用：1、石英鐘走時(shí)準(zhǔn)、耗電省、 經(jīng)久耐用為其最大優(yōu)點(diǎn)。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(shí)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(dāng)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(wú)法通過(guò)改變C1或C2 的數(shù)值來(lái)調(diào)整走時(shí)精度。但此時(shí)仍可用加接一只電容C有方法，來(lái)改變振蕩系統(tǒng)參數(shù)，以調(diào)整 走時(shí)精度。根據(jù)電子鐘表走時(shí)的快慢，調(diào)整電容

11、有兩種接法：若走時(shí)偏快，則可在石英晶體兩端 并接電容C,如圖4所示。此時(shí)系統(tǒng)總電容加大，振蕩頻率變低，走時(shí)減慢。若走時(shí)偏慢，則可 在晶體支路中串接電容C。如圖5所示。此時(shí)系統(tǒng)的總電容減小，振蕩頻率變高，走時(shí)增快。只 要經(jīng)過(guò)耐心的反復(fù)試驗(yàn)，就可以調(diào)整走時(shí)精度。因此，晶振可用于時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器。 2、隨著電視技術(shù)的發(fā)展，近來(lái)彩電多價(jià)值得到了更廣泛的體現(xiàn)，同時(shí)也得到了更快的發(fā)展。許 多高性能的石英晶振主要應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)取?主要參數(shù) 參數(shù) 基本描述 頻率準(zhǔn) 確度 在標(biāo)稱(chēng)電源電壓、標(biāo)稱(chēng)負(fù)載阻抗、基準(zhǔn)溫度（25 C）以及其他條件保持不變，晶體振蕩器的頻 率相對(duì)與其規(guī)定標(biāo)稱(chēng)值

12、的最大允許偏差，即（fmax-fmin ） /f0; 溫度穩(wěn) 定度 其他條件保持不變，在規(guī)定溫度范圍內(nèi)晶體振蕩器輸岀頻率的最大變化量相對(duì)于溫度范圍內(nèi)輸 出頻率極值之和的允許頻偏值，即（ fmax-fmin ） / （fmax+fmin ）； 頻率調(diào) 節(jié)范圍 通過(guò)調(diào)節(jié)晶振的某可變?cè)淖冚攲珙l率的范圍。 調(diào)頻（壓 控）特性 包括調(diào)頻頻偏、調(diào)頻靈敏度、調(diào)頻線(xiàn)性度。 調(diào)頻頻偏：壓控晶體振蕩器控制電壓由標(biāo)稱(chēng)的最大值變化到最小值時(shí)輸岀頻率差。 1調(diào)頻靈敏度：壓控晶體振蕩器變化單位外加控制電壓所引起的輸岀頻率的變化量。 調(diào)頻線(xiàn)性度：是一種與理想直線(xiàn)(最小二乘法)相比較的調(diào)制系統(tǒng)傳輸特性的量度。 1負(fù)載特

13、性 1其他條件保持不變，負(fù)載在規(guī)定變化范圍內(nèi)晶體振蕩器輸岀頻率相對(duì)于標(biāo)稱(chēng)負(fù)載下的輸岀頻率 的最大允許頻偏。 1電壓特 1性 1其他條件保持不變，電源電壓在規(guī)定變化范圍內(nèi)晶體振蕩器輸岀頻率相對(duì)于標(biāo)稱(chēng)電源電壓下的 輸岀頻率的最大允許頻偏。 雜波 輸岀信號(hào)中與主頻無(wú)諧波(副諧波除外)關(guān)系的離散頻譜分量與主頻的功率比，用dBc表示。 1諧波 諧波分量功率Pi與載波功率P0之比，用dBc表示。 頻率老 化 在規(guī)定的環(huán)境條件下，由于元件(主要是石英諧振器)老化而引起的輸岀頻率隨時(shí)間的系統(tǒng)漂 移過(guò)程。通常用某一時(shí)間間隔內(nèi)的頻差來(lái)量度。對(duì)于高穩(wěn)定晶振，由于輸岀頻率在較長(zhǎng)的工作 時(shí)間內(nèi)呈近似線(xiàn)性的單方向漂移，往往用老化率(單位時(shí)間內(nèi)的相對(duì)頻率變化)來(lái)量度。 波動(dòng) 指振蕩器經(jīng)過(guò)規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間后，每隔一小時(shí)測(cè)量一次，連續(xù)測(cè)量24小時(shí)，將測(cè)試數(shù)據(jù)按 S= (fmax-fmin ) /fO式計(jì)算