被廣泛用于各電子行領(lǐng)域中的石英晶體單元是已經(jīng)施加電極的石英晶片,并且其被密封在支架結(jié)構(gòu)中.晶體諧振器是一種機(jī)械振動系統(tǒng),通過壓電效應(yīng)與電氣世界相連,當(dāng)電感器與晶體串聯(lián)連接時(shí),操作頻率降低.通過增加或改變電抗來改變工作頻率的能力允許補(bǔ)償TCXO中晶體單元的頻率與溫度變化,并調(diào)節(jié)電壓控制石英晶體振蕩器的輸出頻率; 在兩者中,通過改變變?nèi)荻O管上的電壓來改變頻率.

圖1是一個(gè)大大簡化的電路圖,顯示了晶體振蕩器的基本元件[1-3].晶體振蕩器的放大器包括至少一個(gè)有源器件,必要的偏置網(wǎng)絡(luò);并且可以包括用于頻帶限制,阻抗匹配和增益控制的其他元件.反饋網(wǎng)絡(luò)由石英晶體諧振器組成,并且可以包含其他元件,例如用于調(diào)諧的可變電容器.

圖1.晶體振蕩器-簡化電路圖.

振蕩頻率由閉環(huán)相移=2np的要求決定,其中n是整數(shù),通常為0或1.當(dāng)振蕩器最初通電時(shí),電路中唯一的信號是噪聲.噪聲的分量,其頻率滿足振蕩的相位條件,以增加的幅度在環(huán)路周圍傳播.增加的速率取決于過量的環(huán)路增益和晶體網(wǎng)絡(luò)的帶寬.振幅繼續(xù)增加,直到放大器增益降低,或者通過有源晶振元件的非線性(在這種情況下是自限制)或者通過外部電平控制方法.

在穩(wěn)定狀態(tài)下,閉環(huán)增益=1.如果發(fā)生相位擾動Df,則振蕩頻率必須移位Df以維持2np相位條件.可以證明,對于串聯(lián)諧振振蕩器

其中QL是網(wǎng)絡(luò)中晶體的加載Q[1].("晶體"和"諧振器"通常可與"晶體單元"互換使用,但"晶體單元"是官方名稱.)晶體振蕩器設(shè)計(jì)信息可在參考文獻(xiàn)中找到1,2,5和7.晶體振蕩器的縮寫是XO.

晶體單元的共振頻率隨溫度而變化.頻率標(biāo)準(zhǔn)中使用的晶振的典型頻率與溫度(f與T)特性如圖11所示.基于處理晶體單元f與T特性的方法,三類晶體振蕩器為XO,TCXO和OCXO,(見圖12).簡單的XO不包含降低晶體f與T變化的方法.對于-55°C至+85°C的溫度范圍,典型的XOf對T穩(wěn)定性可能為±25ppm.

圖2.AT切割晶體的頻率與溫度特性,顯示Y形棒石英中的AT-和BT-切割板.

圖3.基于晶體單元頻率與溫度特性的晶體振蕩器類別.

在TCXO晶振中,來自溫度傳感器(熱敏電阻)的輸出信號用于產(chǎn)生校正電壓,該校正電壓施加到晶體網(wǎng)絡(luò)中的電壓可變電抗(變?nèi)荻O管)[13].電抗變化產(chǎn)生的頻率變化與溫度變化引起的頻率變化相等且相反;換句話說,電抗變化補(bǔ)償晶體的f對T變化.模擬TCXO可以提供比晶體f與T變化相比大約20倍的改進(jìn).對于-55°C至+85°C的溫度范圍,良好的TCXO可具有±1ppm的f對T穩(wěn)定性.

在OCXO中,振蕩器電路的晶體單元和其他溫度敏感元件在烘箱中保持恒定溫度[13].制造的晶體具有f對T特性,其在烘箱溫度下具有零斜率.為了在整個(gè)OCXO的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的烘箱溫度(沒有內(nèi)部冷卻裝置),烘箱溫度選擇為高于OCXO晶振的最高工作溫度.與晶體的f與T變化相比,OCXO可以提供超過1000倍的改進(jìn).對于-55°C至+85°C的溫度范圍,良好的OCXO可具有優(yōu)于±5x10-9的f對T穩(wěn)定性.OCXO比TCXO需要更多功率,更大,成本更高.

補(bǔ)償振蕩器的一個(gè)特例是微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器(MCXO)[14].MCXO克服了限制TCXO可達(dá)到的穩(wěn)定性的兩個(gè)主要因素:測溫和晶體單元的穩(wěn)定性.MCXO使用更精確的"自溫感應(yīng)"方法,而不是晶體單元外部的溫度計(jì),如熱敏電阻.在雙模OSCillator Crystal中同時(shí)激發(fā)兩種晶體模式.組合這兩種模式使得得到的拍頻是溫度的單調(diào)(和近似線性)函數(shù).晶體因此感知其自身的溫度.為了減少f與T的變化,MCXO使用數(shù)字補(bǔ)償技術(shù):在一個(gè)實(shí)現(xiàn)中刪除脈沖,在另一個(gè)實(shí)現(xiàn)中直接數(shù)字合成補(bǔ)償頻率.晶體的頻率不是"拉",這允許使用高穩(wěn)定性(小C1)SC切割晶體單元.對于-55°C至+85°C的溫度范圍,典型的MCXO可具有±2X10-8的f對T穩(wěn)定性.

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