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石英晶体振荡器 
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石英晶体振荡器 晶体振荡器 上图是经过简化的电路图并表明了石英晶体振荡器的基本组成元件。石英晶体振荡器中 的放大器由至少一个驱动设备，偏压电阻并且可能包含其他用来限制带宽，阻抗匹配和增益 控制的元件组成。反馈网络由石英晶体谐振器，和其他元件比如用来协调的可变电容等组成。 晶体振荡器特点 ?? 在振荡频率上，闭合回路的相移为2nπ。 ?? 当开始加电时，电路中唯一的信号是噪声。满足振荡相位条件的频率噪声分量以增 大的幅度在回路中传输，增大的速率由附加分量，即小信号，回路益增和晶体网络 的带宽决定。 ?? 幅度继续增大，直到放大器增益因有源器件（自限幅）的非线性而减小或者由于某 一自动电平控制而被减小。 ?? 在稳定状态下，闭合回路的增益为1。 振荡与稳定度 ?? 如果产生相位波动Δ? ，频率必然产生偏移Δf ，以维持2nπ 的相位条件。对于串 联谐振振荡器， L Δf / f = ?Δ? / 2Q ， L Q 是网络中晶体的负载值Q值。“相位斜 率”d? / df 是与靠近串联谐振频率的L Q 成正比的（见第三部分“等效电路”和“频 率与电抗的关系”）。 ?? 大多数振荡器均工作在“并联谐振”上，电抗与频率斜率的关系dx / df ，即“逆 电容”是与晶体器件的动态电容C1 成反比的。 ?? 相对于振荡回路中的相位（电抗）波动的最高频率稳定度来说，相位斜率（或电抗 斜率）必须最大，即C1 应当最小，而L Q 应当最大。石英晶体器件的高Q值和高 的逆电容，决定振荡器元件的基本频率（或频率稳定度）。 可调性和稳定度 要使振荡器谐调在宽的频率范围内，就会降低其稳定度，因为要使振荡器按要求进行调 谐，同时也会使振荡器容易受不合要求的调谐因素影响。调谐范围越宽，就越难以保持高的 稳定度。例如，如果设计OCXO 的短期稳定度在某一平均时间为1×10-12，而可调性为1× 10-7，则晶体的负载电抗在上述平均时间必须稳定在上1×10-5。要获得这样的稳定度使困难 的，因为影响负载电抗的因素有：寄生电容和电感、变容二极管的电容与电压特性的稳定度， 以及加在变容二极管上的电压的稳定度。此外，1×10-5 的负载电抗稳定度不仅必须在开始 条件下保持，而且在环境条件（温度、振动、辐射等）变化时，也必须保持。 同时，高稳定度10 MHz 的恒温压控晶振的频率调整范围为5×10-7，老化率为2×10-8/y， 而宽调谐范围的10 MHz 压控晶振的调谐范围为50 ppm，老化率为2 ppm/y。 振荡器的缩写 经常使用的 其他 XO………… 晶体振荡器 VCXO………压控晶体振荡器 OCXO………恒温控制晶体振荡器 TCXO………温度压控晶体振荡器 TCVCXO……温度补偿压控晶体振荡器 OCVCXO……恒温控制压控晶体振荡器 MCXO………微机补偿晶体振荡器 RbXO………铷晶体振荡器 从历史上来说，在美国，军事上的需求已成为研究石英振荡器的主要推动力。特别是在 早期美国军方资助大部分的研究。按照民间说法，缩写XO 代替CO 的主要原因是，在美国 军队里，CO 是“指挥官”的缩写而且由于“crystal”听起来有点象“xtal”。（随后，有人指 出，XO 是在军队中是“执行官”的缩写，但这以后，XO 是“石英振荡器”的缩写就逐渐 被人接受）。 石英晶体振荡器的分类 以晶体器件的频率温度特性来分类的三种晶体振荡器是： ?? XO，晶体振荡器，这种振荡器没有能够降低晶体频率温度特性的器件（也称为密 封式晶体振荡器PXO）。 ?? TCXO，温度补偿晶体振荡器，在这种振荡器中，来自温度传感器（热敏电阻）的 输出信号被用来产生校正电压，加在晶体网络中的变容二极管上。电抗的变化用以 补偿晶体的频率温度特性。模拟的TCXO 在晶体的频率随温度变化的范围内能够 提供大概20 倍的改善。 ?? OCXO，恒温控制晶体振荡器，在这种振荡器中，晶体和其他温度敏感元件均装在 稳定的恒温槽中，而恒温槽被调整到频率随温度的变化斜率为零的温度上。OCXO 能够在晶体频率随温度变化的范围内提供1000 倍以上的改善。 晶体振荡器的分类 振荡器的等级 振荡器类型* 准确度** 典型应用 晶体振荡器(XO) 10-5~10-4 计算机定时 温度补偿晶体振荡器(TCXO) 10-6 在战术无线电传送中作频率控制 微机补偿晶体振荡器(MCXO) 10-8 ~10-7 频谱展宽系统的时钟 恒温控制晶体振荡器(OCXO) 10-8 导航系统时钟和频率标准，Mti 雷达 小型原子频率标准(Rb，RbXO) 10-9 C3 卫星终端，收发分置和多收发分置雷达 高性能原子频率标准(Cs) 10-12~10-11 战略C3、电子战 * 尺寸比时钟振荡小5cm3，比铯频率标准小30L，价格比时钟振荡器低$5，比铯频率标准 高$40,000 **包括周围环境的影响（-40℃到75℃）和一年的老化。 振荡器电路类型 在许多振荡器电路中，有三种常用的振荡器电路，它们是皮尔斯振荡电路，考毕兹振荡 电路和克拉普振荡电路。这些振荡电路除了频射接地点位置不同外，电路的构成都是相同的。 布特勒和修正的布特勒振荡电路也是彼此相似的，每一种电路中的发射极电流就是晶体的电 流。门电路振荡器是皮尔斯型的，它使用了一个逻辑门并在皮尔斯振荡器的晶体管位置加了 一个电阻。（某些门电路振荡器使用一个以上的门电路。） 振荡器电路类型的选择取决于以下因素：所要求的频率、稳定度、输入电压和功率，输 出功率和波形、可调性、设计的复杂性、成本和晶体器件的特性。 在皮尔斯系列中，接地点位置对性能有很大的影响。皮尔斯电路的接法相对于寄生电抗 和偏置电阻来说，一般要好于其他几种电路，因为它们多半是跨接在电路的电容上，而不是 跨接在晶体器件上。它是高稳定度振荡器应用最广泛的电路之一。在考毕兹电路的接法中， 较大部分寄生电容出现在晶体的两端，同时偏置电阻也跨接在晶体上，这就会降低性能。克 拉普电路的接法很少使用，因为集电极直接于晶体连接，这就很难将直流电压加在集电极上 而有不引入损耗或寄生振荡（更详细的内容，见参考文献）。 虽然皮尔斯系列可以通过把电感与晶体串联起来使它工作在串联谐振上，但是它一般还 是工作在“并联谐振”上（参见第3 部分电阻频率与电抗的关系）。布特勒系列通常工作在 （或接近）串联谐振上，皮尔斯系列可以被设计用来使晶体电流高于或低于发射极电流情况 下进行工作。 当高稳定性不是主要考虑的问题时，门电路振荡器时数字系统的常用电路。 OCXO 型简要示意图 每一种OCXO 都主要由三部分组成，即石英晶体，持续电路和恒温，他们都会引起不 稳定。不同情况下的不稳定将会在第3 章余下的部分和第4 章中讨论 振荡器的不稳定性——通常表达式 这里的QL 是谐振器受到的载荷Q，dφ(ff)是在闭合电路发生小变化后，远离信号频率f 的偏移频率ff 相位。系统的相位变化和闭合电路中的相位噪声来自于谐振器或持续电路。取 QL 的最大值能有效减小噪声的影响和由于环境引起的持续电子装置的改变。在一个实际的 振荡器设计中，谐振器在偏移频率影响下的短期不稳定性比谐振器的半带宽要小，且由于持 续电路和从闭合电路中大量能量的的传送会引起更大的偏移。 持续电路引起的不稳定性 负载电抗变化—增加一个负载电容到晶体上来改变频率，设 ( C CL) C f f f + ? Δ ≡ 0 1 2 δ 则 ( ) ( )2 0 1 2 L C CL C C f + ? ? Δ Δ δ 例如：如果C0=5pF，C1=14pF，CL=20pF，则△CL=10pF(=5×10-4)引起约1×10-7 频率 变化，而CL 老化率是每天10ppm 使得振荡器的老化率为每天2 X 10-9 激励电平变化：对于10MHz 的3 次泛音SC 切，一般每毫安平方10-8。 晶体的直流偏压也能引起振荡器的老化。 ( ) f 2 1/2 f L oscillator resonator L dφ f f 1 2f Q 2Q 1 f f f f ? ? ?? ? ? ?? ? ?? ? ?? Δ ≈ Δ + + ? 调谐电路引起的不稳定性 许多振荡器包含调谐电路比如匹配电路和滤波器，为了防止不必要的模式。在调谐电路 里的感应系数和电容量在小变化后的影响由下给出 这里的BW 式滤波器的带宽，ff 是滤波器相对于中心频率的偏移频率，QL 是谐振器上 的载荷Q，QC，LC 和CC 分别是调谐电路的Q 值，感应系数和电容量。 电路噪声引起的不稳定性 由持续电路中闪变PM 噪声 引起的闪变FM，对振荡器的输出频率有着一定的影响 ( ) ( ) 2 L 3 f 2 osc f ckt 4f Q L f = L 1Hz f 和( ) ln2 (1Hz) Q 1 y ckt L σ τ = L 这里的ff 是载波频率f 的偏移频率，QL 是振荡器电路上的载荷Q，Lckt(1HZ)是f=1HZ 时的闪变 PM 噪声，τ 时任意测量时间内的闪变基底范围。对于QL=106 和Lckt（1HZ）= -140dBc/Hz，σy(τ) = 8.3 x 10-14。 ( Lckt (1Hz) = -155dBc/Hz 已经能够实现.) 外载荷引起的不稳定性 如果外载荷发生变化，反馈到振荡器的振幅或相位也会随着改变。到达振荡回路的一部 分信号改变了振荡器的相位，因此频率变成： ( ) (sin ) isolation 1 1 2Q 1 2Q d f f f f oscillator θ Γ Δ Γ ?? ? ?? ? + ? ?? ? ?? ≈ ≈ ? φ 这里Γ 是载荷的电压驻波，θ 是反射波的相位角。 振荡器的输出 大多数用户要求正弦波输出，或者TTL 兼容，或者CMOS 兼容，或者ECL 兼容输出。 后三种输出都可以正弦波产生。现在对4 中输出类型说明如下。虚线表示输入电压，实线表 示输出。对于正弦波振荡器来说，对于正弦波振荡器没有“标准的”输入电压。CMOS 的 输入电压一般为1~10V。 ( ) ? ? ? ? ? ? ? ? + ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? + ≈ ≈ Lc dLc Cc dCc Q Qc BW 1 2f 1 2Q d f f f L f f oscillator Δ φ 振荡器的温度自测 fβ 是振荡器正在振荡时的振荡器温度，因此除了振荡还要消除温度计的需要。因为SC 切型的热瞬时补偿，热瞬时效应也被消除，就象温度计和谐振器之间的温度梯度的效应。 热拍频率的产生 微机补偿石英振荡器使用高稳定性的10MHz Sc 切型石英晶体谐振器和双模振荡器，这 能同时激发谐振器的和3 次泛音模式。拍频率可以是基频模式乘3 然后减去3 次泛音频率， 如图所显，或者3 次泛音频率除3，这样得到拍频率fβ = f1 - f3/3。如前图所式，拍频率是 单调的并且几乎是温度的线性函数。它提供了一个高精度，数字显示的振动范围的温度，因 此就不需要外加的温度计。 微机补偿晶体振荡器 微机补偿晶体振荡器频率相加方法 结构图 在频率叠加方法中，直接数字频率合成器（DDS）基于N2 产生一个校正频率fd，从而 在所有温度情况下f3 + fd = 10MHz。相位锁定回路把电压控制晶体振荡器的频率精确的控制 在10MHz。 在“频率模式”中，1PPS 的输出是从10MHz 除以一些数得到的。在能量守恒的“调速 方式”中，1PPS 是直接从f3 驱动直接数字频率合成器，并通过使用不同的校正公式产生的。 锁相环和一部分数字电路被关闭。在校正的同时，微处理器准备“休眠”，并且定时被延长 来减少能量的需求。 微机补偿晶体振荡器——脉冲消除方法 在脉冲消除方法中，SC 切型的谐振器频率要稍微高于输出频率f0。比如，如果f0 为 10MHz，则SC 切型谐振器的频率在设计的温度范围内都要略高于10MHz。双模振荡器提 供两种输出信号，其中之一fβ 为谐振器的温度指标。信号均由微机进行处理，它根据fβ 来 确定对fc 的必要修正，然后从fc 中减去所需要的脉冲数，以得到校正输出f0。在适时修正间 隔(~ 1 s)内不能减去的小部分脉冲被用作进位脉冲，所以长期平均值在±2 x 10-8 设计准确度 内。PROM 中的校正数据对每个晶体来说都是唯一的，并且根据fc 和fβ 输出信号的精密温 度特性获得的。已校正的输出信号f0 能够再分频，来产生1pps 的时间参考或能够直接用来 驱动时钟。由于在脉冲消除过程中产生了有害的噪声，必须对附加信号进行处理，以提供用 于频率控制的有用频射输出。例如，可以通过锁定VCXO 的频率f0 把MCXO 的频率准确度 传递给另一个低噪声低成本压控晶体振荡器（VCXO）来完成这项工作。 微机补偿晶体振荡器—温度补偿晶体振荡器比较 参数 微机补偿晶体振荡器 温度补偿晶体振荡器 切型及泛音 SC切型 3 阶 AT切型 1 阶 允许切角误差 大 小 金属封装误差 大 小 入射倾角 次要 重要 滞后现象(-550C 到 +850C) 10-9 到 10-8 10-7 到 10-6 年老化率 10-8 到 10-7 10-7 到 10-6 光电子振荡器 
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