2022年晶体振荡器应用技术.docx

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1、精品学习资源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；其进展历史只有短短几十年 , 美国是进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, 它已进展成为组件 , 而且几乎全部以集成化、全集成化、全数字化形式呈现出来 , 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、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 S 和并联谐振频率 P之间, 即出现感抗；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打算；图1 为 AT 切割和 SC,SC 切割有高的静态和动态 f t 稳固性、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；图 1最常用的振荡电路是集电极沟通接地的考毕兹振荡电路（如图2 所示）；此电路的优点是电路简洁、牢靠、稳固；欢迎下载精品学习资源图 22.1.2 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 3 所示的标

3、准输出电平, 驱动负载或后级门电路；这里 , 仍常常用到规律电平转换电路和分频、倍频电路；图 3欢迎下载精品学习资源其输出正弦波电平用 Vp-p 、VRMS或 dBm表示 ,dBm 的运算式为：dBm10 logP1mW 必要时 , 仍欢迎下载精品学习资源须注明谐波抑制比；方波或矩形波输出电平应注明TTL、CMO、S HCMOS仍是 ECL、直流重量值，并且表示出占空比、上升时间、下降时间等其它相应参数；标准输出负载为50 、1k 、10k 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别要求时, 就应严格设计振荡、放大电路及电源；譬如主振选用低

4、噪声管、低噪声压控电压并使振荡在低电压工作, 各级电路必需匹配以保证无反射、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）1.64 ，4.096 ，5， 5.2 ，6.4 ，7.68 ， 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；2.2.2 术语标称频率工作温度范畴 频率温度稳固度欢迎下载精品学习资源负载频率允差 电压频率允差 短期频率稳固性日老化年老

5、化压控电压压控线性度压控灵敏度基准温度初始精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 晶体振荡器的分类依据振荡电路调频 , 稳频方法将晶体振荡器分为以下5 种：2.3.1 一般晶体振荡器 PXO（PackagedX tal Osillator）晶体振荡频率固定 , 频率温度性能主要由晶体温度性能打算的晶体振荡器被称为简式晶振；其电路简洁, 但频率稳固度低 , 常用作时钟振荡器；晶体等效电路

6、如图 4 所示, 通常L ：10mH 1000mH C:0.0002pF 0.1pFR ：100CO:1pF 100pF图 4欢迎下载精品学习资源串联谐振频率 s 和并联谐振频率 p 分别为1,spLq Cq1；品质因数C 0 Cq欢迎下载精品学习资源QL qRqL 0 C 0Cq1,可 达 10 4 10 6, 加上稳固的电路 , 可轻易地获得 110 5 的频率温度稳固度；Cq Rq欢迎下载精品学习资源2.3.2 压控晶体振荡器 VCXO（VoltageControlledXtalOsillator）用调剂外电压的方法转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；其可用频率范畴

7、为 10MHz1700MHz,典型频率范畴为 40MHz80MHz,频率牵引范畴为 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 温度补偿晶体振荡器TCXO（TemperatureCompensatedX talOsillator）欢迎下载精品学习资源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 5 温度补偿曲线 , 为 AT切型晶体频率温度特性曲线, 为晶体串联回路补偿曲线, 为补偿后的晶体振荡器频率温度特性曲线；依据补偿网络及其

8、所接位置, 将温补晶振分为直接补偿和间接补偿晶振；图 51）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；2 ）间接补偿它分为模式式、数字式两种；模拟式基准电压通过电阻、热敏电阻构成的补偿网络, 产生随温度而变的电压直接驱动作为晶体负载电容的变容二极管，反向补偿晶体频率温度特性；这种补偿能够在40 85宽温范畴内获得较好的补偿成效 , 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 6 示出基本原理框图；由温度传感器输出的信号进入ADC变成数字信号 , 掌握 PC正常运作 , 由DAC再变成模拟信号经匹配电路驱动变容管；由于补偿电路较复杂、成本较高, 一般用於移

9、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, 如能保持在晶体工作高温拐点（TurningPoint）处, 晶振的频率温度稳固性自然会很高, 由于此处 df/dt=0；图 6表 1 国外产品的温补性能欢迎下载精品学习资源补偿方法温度稳固性 ppm 0 50 40 85附加电路外壳尺寸 /mm2 相位噪声欢迎下载精品学习资源直 接15无911良好间接 模拟 分立0.51无13 20良好欢迎下载精品学习资源集成0.30.5无5 7适中数 字0.30.5多5 7差2.3.4 恒温晶振

10、 OCXO（ OvenControlledX talOsillator）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 , 它是最为稳固的一种晶振；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；晶振和温控置于内槽, 外槽是一个独立的、置内槽于其中、温度较低的槽；但是, 也必需高于环境温度的上限；内掌握器只补偿外槽的温度变化, 外掌握器补偿整个温度范畴；双槽的热增益可达到10 万倍以上

11、；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、热掌握放大电路和恒温槽；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；优点是加热相对简洁, 能保证小尺寸情形下频率温度稳固性达最高；缺点是体积大、功耗高、预热时间长、机械费用高；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；仍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

12、, 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、VCTCX、O 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, 我国各地也显现了国外独资、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比主要性能PXOVCXOTCXOOCXO0.1 33 35分频基频分频基频分频基频分频基频、泛音欢迎下载精品学习资源频率范畴 /MHz30 200泛音泛音、高基频泛音、倍频泛音、倍频150300泛音锁相、高基频锁相 7300 2500 倍频、锁相锁相锁相欢迎下载精品学习资源频率温度稳固度110 5形状尺寸 /mm110 51 10 51 101 10 7 110 11欢迎下载