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　　一、引言

　　盡管石英晶體振蕩器的應用已有幾十年的歷史,但因其具有頻率穩(wěn)定度高這一特點,故在電子技術(shù)領(lǐng)域中一直占有重要的地位。尤其是信息技術(shù)(IT)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,更使這種晶體振蕩器煥發(fā)出勃勃生機。石英晶體振蕩器在遠程通信、衛(wèi)星通信、移動電話系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、導航、遙控、航空航天、高速計算機、精密計測儀器及消費類民用電子產(chǎn)品中,作為標準頻率源或脈沖信號源,提供頻率基準,是目前其它類型的振蕩器所不能替代的。小型化、片式化、低噪聲化、頻率高精度化與高穩(wěn)定度及高頻化,是移動電話和天線尋呼機為代表的便攜式產(chǎn)品對石英晶體振蕩器提出的要求。事實上石英晶體振蕩器在發(fā)展過程中,也面臨像頻率發(fā)生器這類電路的潛在威脅和挑戰(zhàn)。此類振蕩器只有在技術(shù)上不斷**,才能延長其壽命周期,在競爭中占有優(yōu)勢。

　　二、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償式晶體振蕩器、溫度補償晶體振蕩器(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補償式晶體振蕩器(DCXO/MCXO)等幾種類型。其中,無溫度補償式晶體振蕩器是*簡單的一種,在日本工業(yè)標準(JIS)中,稱其為標準封裝晶體振蕩器(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。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,就會使晶片產(chǎn)生機械變形振動,此現(xiàn)象即所謂逆壓電效應。當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,從而導致機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ωOL,R1/ωOC,所以諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q非常高(可達數(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、電壓及負載產(chǎn)生的變化)可以達到±25ppm。SPXO既無溫度補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。

　　三、溫度補償晶體振蕩器(TCXO)

　　TCXO是通過附加的溫度補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的溫度補償方式

　　目前在TCXO中,對石英晶體振子頻率溫度漂移的補償方法主要有直接補償和間接補償兩種類型：

　　(1)直接補償型

　　直接補償型TCXO是由熱敏電阻和阻容元件組成的溫度補償電路,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)電容容值相應變化,從而抵消或削減振蕩頻率的溫度漂移。該補償方式電路簡單,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。但當要求晶體振蕩器精度小于±1pmm時,直接補償方式并不適宜。

　　(2)間接補償型

　　間接補償型又分模擬式和數(shù)字式兩種類型。模擬式間接溫度補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行補償。該補償方式能實現(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)字化間接溫度補償是在模擬式補償電路中的溫度—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。該法可實現(xiàn)自動溫度補償,使晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度非常高,但具體的補償電路比較復雜,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。