晶體振蕩器的應(yīng)用

1、晶體振蕩器的應(yīng)用李德昌1引言石英晶體作為濾波、振蕩元件已廣泛應(yīng)用在廣播通訊、電子測(cè)量、航空、航天等方面。其發(fā)展歷史只有短短幾十年,美國(guó)是發(fā)展石英晶體最早的國(guó)家,而像CORNIGN這樣的老牌公司也只是在1941年才注冊(cè)成立。最近一、二十年來,由于PCS、GSM、GPS、PDC、CDMA等諸多移動(dòng)通訊技術(shù)的需求,石英晶體振蕩器中的石英晶體諧振器不再是單一元件,它已發(fā)展成為組件,而且?guī)缀跞恳约苫?、全集成化、全?shù)字化形式展現(xiàn)出來,體積比過去縮小了數(shù)倍乃至數(shù)十倍。2晶體振蕩器的組成和分類2.1晶體振蕩器的組成晶體振蕩器由晶體振蕩電路和輸出電路兩部分構(gòu)成。振蕩電路 晶體振蕩器電路分為并聯(lián)晶體振蕩電路和

2、串聯(lián)晶體振蕩電路,常用并聯(lián)晶體振蕩電路。晶體工作在串聯(lián)諧振頻率S和并聯(lián)諧振頻率P之間,即呈現(xiàn)感抗。而振蕩性能的優(yōu)劣由晶體的品質(zhì)、切割取向、振子結(jié)構(gòu)及振蕩電路共同決定。圖1為AT切割和SC切割的頻率溫度特性曲線?？梢钥闯?SC切割有高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)ft穩(wěn)定性、良好的老化率和相位噪聲,但缺點(diǎn)是頻率牽引靈敏度低、成本高。圖1最常用的振蕩電路是集電極交流接地的考畢茲振蕩電路（如圖2所示）。此電路的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、可靠、穩(wěn)定。圖2輸出電路輸出電路的作用是對(duì)振蕩獲得的正弦信號(hào)進(jìn)行緩沖、放大、整形,得到圖3所示的標(biāo)準(zhǔn)輸出電平,驅(qū)動(dòng)負(fù)載或后級(jí)門電路。這里,還經(jīng)常用到邏輯電平轉(zhuǎn)換電路和分頻、倍頻電路。圖3其輸出正

3、弦波電平用Vp-p、VRMS或dBm表示,dBm的計(jì)算式為：必要時(shí),還須注明諧波抑制比。方波或矩形波輸出電平應(yīng)注明TTL、CMOS、HCMOS還是ECL、直流分量值，并且表示出占空比、上升時(shí)間、下降時(shí)間等其它相應(yīng)參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)輸出負(fù)載為50、1k、10k10pF或用驅(qū)動(dòng)幾個(gè)門電路表示,如驅(qū)動(dòng)2個(gè)門,5個(gè)門電路。對(duì)晶體振蕩器的噪聲系數(shù)有特殊要求時(shí),則應(yīng)嚴(yán)格設(shè)計(jì)振蕩、放大電路及電源。譬如主振選用低噪聲管、低噪聲壓控電壓并使振蕩在低電壓工作,各級(jí)電路必須匹配以保證無反射、輻射。2.2晶體振蕩器常用標(biāo)頻、術(shù)語(yǔ)及電源晶體振蕩器常用標(biāo)頻（MHz,包括倍頻/分頻）1.64，4.096，5，5.2，6.4，7.6

4、8，9.6，10，12，12.8，13，15，16.384，18.432，19.2，20，26，30，32.768，38.88，40.96，51.2，60，70， 80，91.2，100。術(shù)語(yǔ)標(biāo)稱頻率工作溫度范圍頻率溫度穩(wěn)定度負(fù)載頻率允差電壓頻率允差短期頻率穩(wěn)定性日老化年老化壓控電壓壓控線性度壓控靈敏度基準(zhǔn)溫度初始精度起動(dòng)電流穩(wěn)態(tài)電流相位噪聲電源晶體振蕩器應(yīng)選用穩(wěn)壓性能好、溫度漂移小的直流電源。輸入電壓變化5或10時(shí),輸出電壓在10ppm/100ppm/之間。常用電源電壓為3.3V、5V、9V、12V、24V、5.2V或5V。2.3晶體振蕩器的分類根據(jù)振蕩電路調(diào)頻,穩(wěn)頻方法將晶體振蕩器分為以下

5、5種：普通晶體振蕩器PXO（Packaged Xtal Osillator）晶體振蕩頻率固定,頻率溫度性能主要由晶體溫度性能決定的晶體振蕩器被稱為簡(jiǎn)式晶振。其電路簡(jiǎn)單,但頻率穩(wěn)定度低,常用作時(shí)鐘振蕩器。 晶體等效電路如圖4所示,通常 L：10mH1000mH C:0.0002pF0.1pF R：100 CO:1pF100pF圖4串聯(lián)諧振頻率s和并聯(lián)諧振頻率p分別為,。品質(zhì)因數(shù) , 可 達(dá) 104 106,加上穩(wěn)定的電路,可輕易地獲得1105的頻率溫度穩(wěn)定度。壓控晶體振蕩器VCXO（Voltage Controlled Xtal Osillator） 用調(diào)節(jié)外電壓的方法改變晶體串聯(lián)的變?nèi)莨芙Y(jié)電容

6、以牽引振蕩頻率,稱為壓控晶振。其可用頻率范圍為10MHz1700MHz,典型頻率范圍為40MHz80MHz,頻率牽引范圍為10ppm200ppm,最大為度補(bǔ)償晶體振蕩器TCXO（Temperature Compensated Xtal Osillator） 通過附加溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),使環(huán)境溫度變化后晶體串聯(lián)回路電容反向變化,以抵消晶體所產(chǎn)生的頻率溫度漂移。參見圖5溫度補(bǔ)償曲線,為AT切型晶體頻率溫度特性曲線,為晶體串聯(lián)回路補(bǔ)償曲線,為補(bǔ)償后的晶體振蕩器頻率溫度特性曲線。根據(jù)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)及其所接位置,將溫補(bǔ)晶振分為直接補(bǔ)償和間接補(bǔ)償晶振。圖51）直接補(bǔ)償 熱敏電阻、電阻和電容組成溫補(bǔ)網(wǎng)絡(luò),直接串接在晶體

7、電路。 2）間接補(bǔ)償它分為模式式、數(shù)字式兩種。 模擬式 基準(zhǔn)電壓通過電阻、熱敏電阻構(gòu)成的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),產(chǎn)生隨溫度而變的電壓直接驅(qū)動(dòng)作為晶體負(fù)載電容的變?nèi)荻O管，反向補(bǔ)償晶體頻率溫度特性。這種補(bǔ)償能夠在4085寬溫范圍內(nèi)獲得較好的補(bǔ)償效果,目前應(yīng)用最為廣泛,并已將它作成專用集成電路芯片。 數(shù)字式 圖6示出基本原理框圖。由溫度傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)入ADC變成數(shù)字信號(hào),控制PC正常運(yùn)作,由DAC再變成模擬信號(hào)經(jīng)匹配電路驅(qū)動(dòng)變?nèi)莨?。因?yàn)檠a(bǔ)償電路較復(fù)雜、成本較高,一般用於移動(dòng)基站和廣播電臺(tái)等要求較高的地方。表1列出了目前國(guó)外同類產(chǎn)品的溫補(bǔ)性能供參考。對(duì)晶體頻率溫度特性進(jìn)行溫度補(bǔ)償,目的是讓晶振頻率溫度特性曲線

8、盡量接近于一條直線,若能保持在晶體工作高溫拐點(diǎn)（TurningPoint）處,晶振的頻率溫度穩(wěn)定性自然會(huì)很高,因?yàn)榇颂巇f/dt=0。圖6表1 國(guó)外產(chǎn)品的溫補(bǔ)性能 補(bǔ)償方法 溫度穩(wěn)定性(ppm) 附加電路 外殼尺寸/mm2 相位噪聲 050 4085 直 接 1 5 無 911 良好 間接 模擬 分立 0.5 1 無 1320 良好 集成 0.3 0.5 無 57 適中 數(shù) 字 0.3 0.5 多 57 差 恒溫晶振OCXO（Oven Controlled Xtal Osillator） 晶體當(dāng)前溫度所對(duì)應(yīng)的電壓與其標(biāo)稱值通過熱控放大器進(jìn)行差動(dòng)放大,驅(qū)動(dòng)發(fā)熱元件使槽內(nèi)晶體溫度總是保持在其高溫拐

9、點(diǎn),這樣的晶振稱為恒溫晶振。與前面與所述各種晶振相比,它是最為穩(wěn)定的一種晶振。它基于冷壓焊晶體和內(nèi)熱式晶體,相應(yīng)的振蕩器被稱為冷壓焊晶體振蕩器和內(nèi)熱式晶體振蕩器。恒溫晶振也可分為單槽、雙槽恒溫晶振。雙槽分內(nèi)、外槽。晶振和溫控置于內(nèi)槽,外槽是一個(gè)獨(dú)立的、置內(nèi)槽于其中、溫度較低的槽。但是,也必須高于環(huán)境溫度的上限。內(nèi)控制器只補(bǔ)償外槽的溫度變化,外控制器補(bǔ)償整個(gè)溫度范圍。 雙槽的熱增益可達(dá)到10萬倍以上。環(huán)境溫度在4075內(nèi)變化時(shí),晶體溫度變化小于0.01,振蕩器的頻率溫度性能可小于51011。 恒溫晶振引入了溫度傳感器、加熱元件、熱控制放大電路和恒溫槽。 1）冷壓焊晶體振蕩器電路 這是一種常規(guī)的恒溫晶體振蕩器。優(yōu)點(diǎn)是加熱相對(duì)簡(jiǎn)單,能保證小尺寸情況下頻率溫度穩(wěn)定性達(dá)最高；缺點(diǎn)是體積大、功耗高、預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)、機(jī)械費(fèi)用高。 2）內(nèi)熱式晶體振蕩器電路 表2列出了目前國(guó)外各種晶振主要性能的最高水平。近幾年,我國(guó)各地也出現(xiàn)了國(guó)外獨(dú)資、合資晶體諧振器、振蕩器和濾波器生產(chǎn)企業(yè),大大促進(jìn)和提高了晶體振蕩器組件產(chǎn)品的技術(shù)含量。表2 各種晶振主要性能對(duì)照 主要性能 PXO VCXO TCXO OCXO 頻率范