【導(dǎo)讀】signals,etc.devicecanbecalled"oscillator".oscillator.

　　

【正文】 的影響很小，即使溫度變化很大，它的 頻率也基本不變。 石英晶體振蕩器 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 /μ p 補(bǔ)償式晶體振蕩器（ DCXO/MCXO）等幾種類型。其中，無溫度補(bǔ) 償式晶體振蕩器是最簡單的一種，在日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) (JIS)中，稱其為 標(biāo)準(zhǔn)封裝晶體振蕩器 （ SPXO）?，F(xiàn)以 SPXO 為例，簡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和無源電抗網(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。 只要在晶體振子板極上施加交變電壓，就會使晶片產(chǎn)生機(jī)械變形振動，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，就會發(fā)生壓電諧振，從而導(dǎo)致 機(jī)械 變形的振幅突然增大。與金屬板之間的靜電電容； L、 C 為壓電諧振的等效參量； R 為振動磨擦損耗的等效電阻。石英晶體諧振器存在一個串聯(lián) 諧振頻率 fos（ 1/2π），同時也存在一個并聯(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 OL， R 1/ω OC，所以諧振電路的品質(zhì)因數(shù) Q 非常高（可達(dá)數(shù)百萬），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壓控高頻 LC 振蕩器的設(shè)計 ————————————————————————————— 10 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177。 25ppm。SPXO 既無溫度補(bǔ)償也無溫度控制措施，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 。 溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（ TCXO） TCXO 是通過附加的溫度補(bǔ)償電路 使由周圍溫度變化產(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 在 TCXO 中，對石英晶體振子頻率 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，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合。但當(dāng)要求晶體振蕩器精度小于177。 1pmm 時，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，通過晶體振子串聯(lián)電容量的變化，對晶體振子的非線性頻率漂移進(jìn)行補(bǔ)償。該補(bǔ)償方式能實(shí)現(xiàn)177。 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一級模 /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等要求高精度化的情況。 發(fā)展現(xiàn)狀 TCXO 在近十幾年中得到長足發(fā)展，其中在精密 TCXO 的研究開發(fā)與生產(chǎn)方面，日本居領(lǐng)先和主宰地位。在 70 年代末汽車電話用 TCXO 的體積達(dá) 20至 TCXO 器件體積僅為 30 年中， TCXO 的體積縮小了 50壓控高頻 LC 振蕩器的設(shè)計 ————————————————————————————— 11 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 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℃變化時的穩(wěn)定度為177。 1ppm 或177。 2ppm；數(shù)字式 TCXO 的頻率覆蓋范圍為 ～ 90MHz，頻率穩(wěn)定度為177。 （－ 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）為177。 1ppm/－ 20～＋ 70℃，在 5V177。 5％的電源電壓下的頻率電壓特性為177。，輸出正弦波波形（幅值為 1VPP）， 電流 損耗不足 2mA， 重量 僅為 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177。 ～177。 1ppm 的精度。國內(nèi)的產(chǎn)品水平也較高，如北京瑞華欣科技開發(fā)有限公司推出的 TCXO（ 32～ 40MHz）在室溫下精度優(yōu)于177。 1ppm，第一年的頻率老化率為177。 1ppm， 頻率 （機(jī)械）微調(diào)≥177。 3ppm，電源功耗≤ 120mw。高穩(wěn)定度的 TCXO 器件，精度可達(dá)177。 。 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 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的最大允許溫度，會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177。 10－ 6 以下。但是， TCXO 的技術(shù)水平的提高并沒進(jìn)入到極限，創(chuàng)新的內(nèi)容和潛力仍較大。 的應(yīng)用 TCXO 作為基準(zhǔn)振蕩器為發(fā)送信道提供頻率基準(zhǔn)，同時作為接收通道的第一級本機(jī)振蕩器；另一只 TCXO 作為第 2 級本機(jī)振蕩器，將其振蕩信號輸入到第 2 變頻器。移動電話要求的頻率穩(wěn)定度為 ～ （－ 30～＋ 75℃），但出于成本上的考慮，通常選用的規(guī)格為 ～ 。移動電話用 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，外觀如圖 2（ b）所示，由日本金石（ KSS）公司生產(chǎn)。 發(fā)展歷史 自從 Edwin Armstrong 提出外差原理以來，振蕩器就成為了最基本的元件。后來他發(fā)現(xiàn)可以通過配置 Audion (一種早期的真空管 )來產(chǎn)生振蕩，于是他發(fā)明了第一個電子振蕩器。從 20 世紀(jì) 10 年代 Armstrong 的發(fā)明到今天， VCO 技術(shù)的進(jìn)步經(jīng)歷了真 空管振蕩器、晶體管振蕩器、振蕩器模塊兒解決方案直到今天基于 RFIC 的振蕩器幾個階段。 真空管振蕩器在商用和軍用無線電接收機(jī)中得到廣泛的應(yīng)用持續(xù)了許多年的時間，例如 AM 和調(diào)頻 (FM)無線電、 電視 以及軍用語音通信。然而， 半導(dǎo)體 放大器器件的發(fā)明，壓控高頻 LC 振蕩器的設(shè)計 ————————————————————————————— 12 如晶體管和變?nèi)荻O管，引發(fā)了 VCO 技術(shù)的又一輪劇烈變革。 第一只雙極型晶體管是在 40 年代晚期由 貝爾 試驗(yàn)室 (Bell Laboratories； Holmdel, NJ)發(fā)明的，隨后晶體管在 50 年代開始代替真空電子管。新的晶體管比電子管體積更小消耗功率更低，隨著所需工作電壓的降 低最終使成本變得更低。晶體管開始取代真空電子管作為有源元件應(yīng)用在振蕩器中，這極大地改變了振蕩器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)和已經(jīng)建立的振蕩器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 隨著變?nèi)荻O管、電容和電感體積的縮小，以模塊的形式實(shí)現(xiàn) VCO 成為可能。 VCO模塊本質(zhì)上就是一個建立在一塊襯底上并安裝在金屬外殼內(nèi)的分立元件振蕩器的微縮版本。模塊是獨(dú)立的，只需要外接地、電源、調(diào)諧電壓和輸出負(fù)載。這種模塊最早出現(xiàn)在 60 年代，主要用于軍事。那時它們很大 (可達(dá)數(shù)平方英寸 )并且較貴，而商用產(chǎn)品中依然使用分立晶體管和變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)的 VCO。直到出現(xiàn)了移動電話，商用 VCO 模塊的市場才發(fā)展起來。 今天，這些技術(shù)進(jìn)步達(dá)到了它的頂點(diǎn)， 90 年代末出現(xiàn)了一種體積更小成本更低的VCO 技術(shù)，單片 VCO IC 技術(shù)。單片 IC VCO 技術(shù)是將所有的 LC (電感 電容 ) VCO 電路元件，包括晶體管、電容、 電阻 、電感和變?nèi)荻O管，都集成到一塊 芯片 上的一種 VCO 實(shí)現(xiàn)技術(shù)。與 VCO 模塊相同，這些器件經(jīng)過配置組成一個完整的 VCO，外部只需要連接電源、地、輸出、調(diào)諧輸入和數(shù)字控制線。 現(xiàn)狀 日本金石、始建于 1948 年的 NibonDempaKogyo 公司和美國摩托羅位、韓國的 Sunny－ Emi 等公司，都是生產(chǎn)石英晶體器件較大的廠商。中國生產(chǎn)石英晶體振蕩器等元器件的單位有原電子工業(yè)部第十研究所、北京 707 廠、國營第 875 廠和一些合資企 業(yè)等。中國對人造石英晶體及其 元器件 的研究開發(fā)起步較早，擁有的生產(chǎn)能力也較大。就石英晶體振蕩器而言，與國外先進(jìn)水平比較，主要是在片式化、小型化、高頻化和頻率溫度特性等方面還存在差距。盡快縮小這些差距，進(jìn)一步擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，提高 產(chǎn)品 性價比，是提高在國際市場上競爭力的必由之路。與此同時，還要跟蹤該器件發(fā)展的新動向，如 視頻 發(fā)生器等振蕩器的研究與應(yīng)用。