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石英晶体振荡器概述

来源:http://www.taiheth.com 作者:泰河电子技术部 2018年03月05
石英晶体振荡器的概述
  石英晶体作为滤波,振荡元件已广泛应用在广播,通信,电子测量、航空、航天等方面。其发展历史只有短短几十年,美国是发展石英晶体最早的国家之一,最近一、二十年来,由于PCS、GSM、GPS、PDC、CDMA等诸多移动通信和基站的需求,石英晶体振荡器中的石英晶体谐振器不再是单个元件。它已发展成为组件,而且几乎全部以集成化、全集成化、全数字化形式作成振荡器展现出来,振荡器的体积比过去单个谐振器的体积缩小了数倍乃至数十倍。
晶体振荡器的组成和分类
晶体振荡器的组成
晶体振荡器由晶体振荡电路和输岀电路两部分
构成
1.振荡电路
4.jpg
  晶体振荡电路分为并联晶体振荡电路和串联晶体振荡电路两种。这里,常用的为并联晶体振荡电路。晶体工作在串联谐振频率⊙和并联谐振频率cp之间,即呈现感抗。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决定。图1画出了AT切割和SC切割的频率一温度特性曲线。可以看出,SC切割有高的静态和动态ft稳定性、良好的老化率和相位噪声,但缺点是频率牵引灵敏度低,成本昂贵。常用的振荡电路如图2所示。采用人们所熟悉的,最稳定的一种电容反馈三点式振荡器或称为克拉泼振荡电路。与考必兹振荡电路不同的是电感支路有个电容。此电容减弱了三极管与回路间的耦合,即减小了三极管对回路的影响,进一步提高了振荡电路的频率稳定性。图3是其等效电路。电路的环路增益等于三极管跨导,谐振电路等效并联电阻、反馈系数之积。反馈系数F算式如下
6.jpg
7.jpg
F值偏大时,环路增益大、易起振。但过大时振荡稳定性差。
  F值偏小时,振荡稳定性好。但是,波形虚起振困难。一般而言,要经过折衷处理。根据我们的经验,图2电路中的三极管射极LC谐振回路调谐在0.78f0,使用电容与基射极所接电容比取1.2~2.4。标频fo要求高的选大,低的选小。电路的振荡幅度跟三极管发射极直流电流和谐振电路等效并联电阻乘积成正比。要求振荡波形良好,在牺牲振幅的情况下可由射极输出。
2.输出电路
  输岀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4所要求的某种标准输出,驱动负载或后级门电路。这里,还经常用到逻辑电平转换电路和分频、倍频电路。
9.jpg
输出正弦波的电平VPp、VRMs或dBm表IBm的算式如下
11.jpg
必要时,还须注上谐波抑制比。
  方波或矩形波输出电平应注明TT、CMoS、HCMOS还是ECL,要不要直流。并且,表示出占空比、上升时同、下降时间、上冲等脉冲波形其它参数。标准输出负载为50g2、1kg2、10k2//10PF或用驱动几个门电路表示,如驱动2个门,5个门电路晶体振荡器的噪声系数有特殊要求时,振荡、放大电路及电源要严格设计。如主振选用低噪声管、低噪声压控电压并使振荡在低电压工作,各级电路必须匹配以保证无反射、辐射。
晶体振荡器的分类根据振荡电路调频、稳频方法将晶体振荡器分为以下5种
①简式晶振OPXO( Packaged x-tal osillator
②压控晶振VCXO( Voltage Controlled xtal os dilator
③温补晶振TCXO( Temperature Compensated x-tal Osillator)
④恒温晶振OCXO( Oven Controlled Xtal Osillator)
⑤组合晶振VCⅹO、VCTCⅹO、 VCOCXO
晶体振荡器常用标频、术语及电源
晶体振荡器常用标频(MHz包括倍频/分频)
 
14.jpg
标称频率
工作温度范围
温度变化的频率稳定度
负载变化的频率稳定度
电源电压变化的频率稳定度
短期频率稳定度
日老化率
年老化率
控制电压
控制线性
调整误差
牵引范围或牵引灵敏度
起动电流
稳态电流
相位噪声
电源

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