石英晶體振蕩器基本結(jié)構(gòu)及工作原理

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/μp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*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）封裝及其等效電路如圖1所示。

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。在圖1（c）所示的晶體諧振器的等效電路中，Co為晶片


(a)石英晶體振于的結(jié)構(gòu)


（b）金屬殼封裝示圖（c）等效電路



與金屬板之間的靜電電容；L、C為壓電諧振的等效參量；R為振動(dòng)磨擦損耗的等效電阻。石英晶體諧振器存在一個(gè)串聯(lián)諧振頻率fos（1/2π），同時(shí)也存在一個(gè)并聯(lián)諧振頻率fop（1/2π)。由于CoC，fop與fos之間之差值很小，并且RωOL，R1/ωOC，所以諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q非常高（可達(dá)數(shù)百萬(wàn)），從而使石英晶體諧振器組成的振蕩器頻率穩(wěn)定度十分高，可達(dá)10－12/日。石英晶體振蕩器的振蕩頻率既可近似工作于fos處，也可工作在fop附近，因此石英晶體振蕩器可分串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種。用石英晶體諧振器及其等效電路，取代LC振蕩器中構(gòu)成諧振回路的電感（L）和電容（C）元件，則很容易理解晶體振蕩器的工作原理。

SPXO的總精度（包括起始精度和隨溫度、電壓及負(fù)載產(chǎn)生的變化）可以達(dá)到±25ppm。SPXO既無(wú)溫度補(bǔ)償也無(wú)溫度控制措施，其頻率溫度特性幾乎完全由石英晶體振子的頻率溫度特性所決定。在0～70℃范圍內(nèi)，SPXO的頻率穩(wěn)定度通常為20～1000ppm，SPXO可以用作鐘頻振蕩器。

三、溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO）

TCXO是通過(guò)附加的溫度補(bǔ)償電路使由周?chē)鷾囟茸兓a(chǎn)生的振蕩頻率變化量削減的一種石英晶體振蕩器。

1TCXO的溫度補(bǔ)償方式

目前在TCXO中，對(duì)石英晶體振子頻率溫度漂移的補(bǔ)償方法主要有直接補(bǔ)償和間接補(bǔ)償兩種類(lèi)型：

（1）直接補(bǔ)償型

直接補(bǔ)償型TCXO是由熱敏電阻和阻容元件組成的溫度補(bǔ)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(shí)，熱敏電阻的阻值和晶體等效串聯(lián)電容容值相應(yīng)變化，從而抵消或削減振蕩頻率的溫度漂移。該補(bǔ)償方式電路簡(jiǎn)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(chǎng)合。但當(dāng)要求晶體振蕩器精度小于±1pmm時(shí)，直接補(bǔ)償方式并不適宜。

（2）間接補(bǔ)償型

間接補(bǔ)償型又分模擬式和數(shù)字式兩種類(lèi)型。模擬式間接溫度補(bǔ)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(guò)晶體振子串聯(lián)電容量的變化，對(duì)晶體振子的非線(xiàn)性頻率漂移進(jìn)行補(bǔ)償。該補(bǔ)償方式能實(shí)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(bǔ)償是在模擬式補(bǔ)償電路中的溫度—電壓變換電路之后再加**模/數(shù)（A/D）變換器，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。該法可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫度補(bǔ)償，使晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度非常高，但具體的補(bǔ)償電路比較復(fù)雜，成本也較高，只適用于基地站和廣播電臺(tái)等要求高精度化的情況。

2.TCXO發(fā)展現(xiàn)狀

TCXO在近十幾年中得到長(zhǎng)足發(fā)展，其中在精密TCXO的研究開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)方面，日本居**和主宰地位。在70年代末汽車(chē)電話(huà)用TCXO的體積達(dá)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(dòng)4ms后即可達(dá)到額定振蕩幅度的90％。金石（KSS）集團(tuán)生產(chǎn)的TCXO頻率范圍為2～80MHz，溫度從－10℃到60℃變化時(shí)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(jī)生產(chǎn)的TCO－935/937型片式直接溫補(bǔ)型TCXO，頻率溫度特性（點(diǎn)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?jī)H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(dá)到±0.25～±1ppm的精度。國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品水平也較高，如北京瑞華欣科技開(kāi)發(fā)有限公司推出的TCXO（32～40MHz）在室溫下精度優(yōu)于±1ppm，**年的頻率老化率為±1ppm，頻率（機(jī)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(dá)±0.05ppm。

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(diǎn)：一是小型化會(huì)使石英晶體振子的頻率可變幅度變小，溫度補(bǔ)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(yuǎn)高于TCXO的*大允許溫度，會(huì)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(méi)進(jìn)入到極限，**的內(nèi)容和潛力仍較大。

3.TCXO的應(yīng)用

石英晶體振蕩器的發(fā)展及其在無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用


（a）


(b)

圖2移動(dòng)通信機(jī)電路框圖及其TCXO外觀(guān)

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(dòng)，其應(yīng)用領(lǐng)域重點(diǎn)擴(kuò)展到移動(dòng)通信系統(tǒng)。

圖2（a）為移動(dòng)通信機(jī)射頻（RF）電路框圖。TCXO作為基準(zhǔn)振蕩器為發(fā)送信道提供頻率基準(zhǔn)，同時(shí)作為接收通道的**級(jí)本機(jī)振蕩器；另一只TCXO作為第2級(jí)本機(jī)振蕩器，將其振蕩信號(hào)輸入到第2變頻器。目前移動(dòng)電話(huà)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(dòng)電話(huà)用12～20MHz的TCXO代表性產(chǎn)品之一是VC－TCXO－201C1，采用直接補(bǔ)償方式，外觀(guān)如圖2（b）所示，由日本金石（KSS）公司生產(chǎn)。

四、電壓控制晶體振蕩器（VCXO）

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?nèi)荻O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±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(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－2320SC。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12.6mm×7.6mm×1.9mm，體積為0.19。其標(biāo)準(zhǔn)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(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10～360MHz，頻率牽引度從±60ppm到±100ppm。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)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～＋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(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，電源電壓為3.3V或5V，可覆蓋的頻率范圍或*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(rèn)為是外形尺寸*小的產(chǎn)品，但這個(gè)小型化的記錄很快被打破。目前新推出的雙頻終端機(jī)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


圖3壓控SAW振蕩器內(nèi)部結(jié)構(gòu)


圖4OCXO內(nèi)部結(jié)構(gòu)示圖

列表面貼裝VCXO，采用引線(xiàn)封裝時(shí)高度為0.185英寸，采用扁平封裝時(shí)僅為0.15英寸，工作頻率可在1～160MHz內(nèi)選擇，標(biāo)準(zhǔn)頻率調(diào)整范圍為±100ppm，線(xiàn)性度優(yōu)于±10％，穩(wěn)定度優(yōu)于±25ppm/0～70℃，老化率為±2ppm/年，輸出負(fù)載達(dá)10個(gè)LSTTL（單價(jià)達(dá)10美元以上）。

于1998年7月上市的單價(jià)2000日元的UCV4系列壓控振蕩器（VCO），面向全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）和個(gè)人數(shù)字蜂窩電話(huà)（PDC），可用頻率范圍為650～1700MHz，電源電壓為2.2～3.3V，尺寸僅為4.8mm×5.5mm×1.9mm，體積為0.05，重量0.12g。

日本精工·愛(ài)普生公司利用ST切型晶片制作的聲表面波（SAW）諧振器（Q≌2000），型號(hào)為FS－555，用4.8mm×5.2mm×1.5mm陶瓷容器包封，振蕩頻率范圍達(dá)250～500MHz，頻率初始偏差為±25～100ppm，在－20～60℃范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定度是±27ppm，老化率為±10ppm/年。利用FS－555組成的壓控SAW振蕩器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。欲擴(kuò)大頻率調(diào)節(jié)范圍，可加大串聯(lián)電感Lo的電感量。由于SAW諧振器的頻率可達(dá)2GHz以上，為壓控SAW振蕩器（VCSO）的高頻化提供了一條重要途徑。

五、恒溫控制晶體振蕩器（OCXO）

CXO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?chē)鷾囟茸兓鸬恼袷幤鬏敵鲱l率變化量削減到*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(jìn)行溫度補(bǔ)償，實(shí)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(dòng)通信基地站、國(guó)防、導(dǎo)航、頻率計(jì)數(shù)器、頻譜和網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)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(dòng)串聯(lián)放大器，來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制的。具有自動(dòng)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。

在近幾年中，OCXO的技術(shù)水平有了很大的提高。日本電波工業(yè)公司開(kāi)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(diǎn)方面取得了重大突破。該公司使用應(yīng)力補(bǔ)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(hào)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(biāo)。在對(duì)預(yù)期信號(hào)既定補(bǔ)償處，以1Hz帶寬為單位來(lái)測(cè)量相位噪聲。Bliley公司用AT切形晶體制作的NV45A在補(bǔ)償點(diǎn)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(bǔ)償點(diǎn)上的噪聲性能都優(yōu)于5dBc/Hz。

金石集團(tuán)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(biāo)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(diǎn)，在性能指標(biāo)上則會(huì)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，*大老化率為±0.005ppm/年。Vectron國(guó)際公司的CO－760型OCXO，尺寸為25.4mm見(jiàn)方，高12.7mm，在OCXO產(chǎn)品中，體積算是較小的。隨著移動(dòng)通信產(chǎn)品的迅猛增長(zhǎng)，對(duì)OCXO的市場(chǎng)需求量會(huì)逐年增加。OCXO的發(fā)展方向是順應(yīng)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。