老實(shí)說(shuō)，晶體振蕩器并不是最容易理解的話(huà)題。這主要是因?yàn)橛懈鞣N各樣的晶體振蕩器類(lèi)型以不同的方式為不同的目的做不同的事情。這主要是由于幾乎無(wú)窮無(wú)盡的應(yīng)用程序使用。從太空中的衛(wèi)星通信到軍事和國(guó)防，再到電信等等……對(duì)晶體振蕩器有很多不同的需求。
 
在這篇文章中，我們將介紹最常見(jiàn)的晶體振蕩器類(lèi)型，包括
•烤箱控制晶體振蕩器（OCXO）
•溫度補(bǔ)償振蕩器（TCXO）
•壓控振蕩器（VCXO）
•時(shí)鐘振蕩器（XO）
•以及每個(gè)類(lèi)別中的一些其他鍵類(lèi)型
 
       我知道這聽(tīng)起來(lái)很多，但別擔(dān)心！深圳市億金電子將使您的事情變得更容易。在這篇文章的最后，您將了解每種晶體振蕩器類(lèi)型的基本用途、優(yōu)勢(shì)和局限性。
 
烤箱控制晶體振蕩器 (OCXO)
 
典型溫度穩(wěn)定性：±1 x 10-7 至 ±1 x 10-9
 
典型老化率：±2 x 10-7/年至±2 x 10-8/年
 
典型功耗：在穩(wěn)態(tài)條件下（在 +25°C 環(huán)境溫度下）為 1.5 瓦至 2.0 瓦
 
烤箱控制晶體振蕩器 (OCXO) 是一種晶體振蕩器，由迷你內(nèi)部烤箱進(jìn)行溫度控制。這種類(lèi)型的振蕩器有一個(gè)溫度控制電路來(lái)保持晶體和其他關(guān)鍵部件的溫度一致。
 
當(dāng)需要 ±1 x 10-8 或更高的溫度穩(wěn)定性時(shí)，通常使用 OCXO。雖然這種類(lèi)型的振蕩器在溫度與頻率穩(wěn)定性方面比 TCXO 提高了十倍，但 OCXO 的價(jià)格往往更高，功耗也更高。
OCXO電路的溫度特性
 
OCXO 的關(guān)鍵是在外部環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)將晶體和其他一些振蕩器組件保持在一個(gè)特定溫度。這可能與冬天的房子有關(guān)，其中位于房子內(nèi)的恒溫器會(huì)感應(yīng)溫度變化并控制熔爐以保持所需的溫度。
 
所需的操作溫度是多少？工作溫度是晶體的轉(zhuǎn)折點(diǎn)之一（請(qǐng)參閱晶體部分）。在轉(zhuǎn)折點(diǎn)，頻率與溫度曲線(xiàn)的斜率為零。這意味著即使溫度略有上升或下降，頻率變化也很小。
 
請(qǐng)注意，對(duì)于 OCXO，晶體的轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度必須高于溫度范圍的上限。這是因?yàn)槿绻彝鉁囟葹?+35°C，您無(wú)法使用爐子將房屋溫度控制在 +25°C。一般的經(jīng)驗(yàn)法則是，您需要晶體的轉(zhuǎn)折點(diǎn)比 OCXO 振蕩器電路的上限工作溫度高 10°C。
 
對(duì)于 OCXO，熱敏電阻（我們將在 TCXO 部分詳細(xì)討論）相當(dāng)于家里的恒溫器。它用于感測(cè)晶體和晶體振蕩器電路的溫度。熱源可以是功率晶體管或功率電阻器。所需的最后一個(gè)組件是一個(gè)比較器電路，用于控制熱源中產(chǎn)生的電量。
 
比較器電路
 
比較器電路由運(yùn)算放大器和配置為高增益放大器的其他組件（電阻器和電容器）組成。操作溫度稱(chēng)為“設(shè)定點(diǎn)”，由在正常生產(chǎn)過(guò)程中選擇的選定值電阻器進(jìn)行調(diào)整。
 
在正常操作期間，熱敏電阻通過(guò)更改為稍微不同的電阻值來(lái)感應(yīng)環(huán)境溫度變化。然后比較器電路調(diào)整產(chǎn)生的功率以使熱敏電阻返回到原始電阻值，并將晶體和電路溫度返回到原始設(shè)定點(diǎn)溫度。
 
堅(jiān)持房屋比較... OCXO 以與房屋類(lèi)似的方式使用絕緣材料。絕緣用于減少環(huán)境溫度變化的影響并減少維持設(shè)定點(diǎn)溫度所需的功率量。使用的絕緣越好，保持在設(shè)定溫度點(diǎn)所需的功率就越少。當(dāng)今越來(lái)越多的射頻應(yīng)用需要更低的功率輸入，因此絕緣起著關(guān)鍵作用。
 
典型 OCXO 的溫度控制器電路會(huì)將設(shè)定點(diǎn)溫度保持在 ±1°C 或更低。
雙烤箱 OCXO
 
如果需要更嚴(yán)格的穩(wěn)定性（±1 x 10-10 至 ±5 x 10-11），則可能需要雙烤箱振蕩器 (DOCXO)。 DOCXO 是通過(guò)將 OCXO 放入另一個(gè)烤箱包裝中制成的。這個(gè)外部烤箱將緩沖 OCXO 免受環(huán)境變化的影響，兩個(gè)溫度控制器的組合可以將設(shè)定點(diǎn)溫度保持在 ±0.10°C 以?xún)?nèi)。
 
使用 DOCXO 的一些最大缺點(diǎn)包括
•它們需要更大的封裝尺寸
•它們消耗更多的電力
•通常更貴
 
在 +25°C 環(huán)境下，雙烤箱振蕩器的典型功耗在穩(wěn)態(tài)條件下為 3.0 瓦至 4.0 瓦。
 
由于 OCXO 的老化率為 0.20 ppm/年至 2.0 x 10-8/年，因此需要在 +25°C 下調(diào)整頻率以抵消老化效應(yīng)。大多數(shù) OCXO 具有類(lèi)似于 TCXO 振蕩器的機(jī)械頻率調(diào)整。典型調(diào)整范圍為 +2 ppm 至 ±0.20 ppm。
 
OCXO 中的石英晶體切割類(lèi)型
 
晶體切割的類(lèi)型也將增加振蕩器的穩(wěn)定性。某些類(lèi)型的切割在其轉(zhuǎn)折點(diǎn)處具有不同的頻率與溫度斜率。兩種最常見(jiàn)的切割類(lèi)型是 AT 和 SC 切割。
 
例如，對(duì)于 +80°C 的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，SC 切割晶體的斜率可能為 5 x 10--9/°C，而 AT 型晶體的斜率可能為 1 x 10-8/°C。 80°C 的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。使用相同的溫度控制器，AT 型晶體的頻率變化量是 SC 型晶體的兩倍。溫度穩(wěn)定性和工作溫度范圍要求決定了所使用的晶體切割類(lèi)型。
溫控晶體振蕩器 (TCXO)
 
典型溫度穩(wěn)定性：±0.20 ppm 至 ±2.0 ppm
 
典型老化率：±0.50 ppm/年至±2 ppm/年
 
溫控晶體振蕩器 (TCXO) 的作用類(lèi)似于 OCXO，因?yàn)樗鼈児芾砭w振蕩器電路的溫度。但是，也有很多不同之處。
 
TCXO 的基本構(gòu)建塊是具有大約 ±50 ppm 偏差范圍和溫度敏感網(wǎng)絡(luò)的 VCXO。該溫度敏感網(wǎng)絡(luò)（溫度補(bǔ)償電路）向變?nèi)荻O管施加電壓，在工作溫度范圍內(nèi)的任何溫度下校正 VCXO 的頻率。
 
TCXO 實(shí)現(xiàn)的典型溫度穩(wěn)定性為 ±0.20 ppm 至 ±2.0 ppm。由此我們可以看出，與時(shí)鐘振蕩器相比，TCXO 的溫度穩(wěn)定性提高了大約十倍。
 
TCXO 電路
 
要?jiǎng)?chuàng)建溫度補(bǔ)償電路，您需要一些東西來(lái)感應(yīng)環(huán)境溫度。熱敏電阻是大多數(shù) TCXO 中的典型傳感設(shè)備。熱敏電阻是電阻器件，其電阻取決于環(huán)境溫度。
 
有兩種類(lèi)型的熱敏電阻
1.具有正系數(shù)的：它們的電阻隨著溫度的升高而升高
2.負(fù)系數(shù)：電阻隨溫度升高而下降
 
典型的溫度補(bǔ)償電路將熱敏電阻和電阻器組合成一個(gè)分壓器網(wǎng)絡(luò)，以在任何溫度下產(chǎn)生所需的校正電壓。然后將該校正電壓施加到變?nèi)荻O管。
 
如果溫度補(bǔ)償電路與晶體的溫度曲線(xiàn)完全匹配，則振蕩器的頻率將隨著溫度的變化保持恒定。由于可用晶體的可變性和可用的熱敏電阻系數(shù)，這在現(xiàn)實(shí)世界中是無(wú)法獲得的。每個(gè)晶體的溫度穩(wěn)定性略有不同，并且產(chǎn)生完美網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的確切熱敏電阻系數(shù)和值并不總是可用。
 
相關(guān)閱讀：晶體振蕩器可以在其指定的溫度范圍之外工作嗎？
 
通常給定的熱敏電阻組用于生產(chǎn)批次中的所有 TCXO。這將允許將大多數(shù) TCXO 校正到可接受的穩(wěn)定性。如果需要更嚴(yán)格的溫度穩(wěn)定性，可以在生產(chǎn)過(guò)程中調(diào)整熱敏電阻，但由于測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，TCXO 的成本會(huì)增加。
 
另一個(gè)需要克服的主要問(wèn)題是晶體溫度穩(wěn)定性的擾動(dòng)（與曲線(xiàn)擬合數(shù)據(jù)的偏差）。這些與平滑溫度曲線(xiàn)的偏差很難補(bǔ)償，如果它們的持續(xù)時(shí)間很短，則無(wú)法補(bǔ)償。如果 TCXO 的溫度穩(wěn)定性要求太嚴(yán)格，則可能必須更換一些晶體并重新開(kāi)始生產(chǎn)測(cè)試。這將增加 TCXO 的成本。
 
由于 TCXO 的老化速率為 0.50 ppm/年至 2.0 ppm/年，因此需要在 +25°C 下調(diào)整頻率以抵消老化效應(yīng)。大多數(shù) TCXO 具有類(lèi)似于時(shí)鐘振蕩器的機(jī)械頻率調(diào)整功能。典型的調(diào)整范圍是±5 ppm。
壓控晶體振蕩器 (VCXO)
 
典型偏差范圍：±10 ppm 至高達(dá) ±2000 ppm。
 
典型老化率：±1 ppm/年至±5 ppm/年
 
VCXO 振蕩器（Voltage-Controlled Crystal Oscillator）是一種晶體振蕩器，其頻率可以通過(guò)外部施加的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。 VCXO 在頻率調(diào)制 (FM) 和鎖相環(huán) (PLL) 系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。
 
壓控振蕩器的頻率由稱(chēng)為變?nèi)荻O管的設(shè)備維持。該器件本質(zhì)上是一個(gè)電壓可變電容器。變?nèi)荻O管的電容與施加的電壓成反比。
 
要了解二極管如何成為電壓可變電容器，首先要考慮什么是電容器。它由兩個(gè)由電介質(zhì)隔開(kāi)的帶相反電荷的板組成。二極管只不過(guò)是一個(gè) P-N 硅結(jié)。兩個(gè)區(qū)域的相對(duì)邊緣用作板。反向偏壓迫使電荷遠(yuǎn)離其正常區(qū)域并形成耗盡層。電壓越大，耗盡層越寬。這增加了板之間的距離，從而降低了電容。
 
為了獲得更大的調(diào)諧范圍，一些變?nèi)荻O管具有超突變結(jié)。超突變變?nèi)荻O管中的摻雜在結(jié)附近更密集，這導(dǎo)致耗盡層更窄，電容更大。因此，反向電壓的變化對(duì)電容的影響更大。
 
VCXO 的傳遞函數(shù)（或斜率極性）是頻率變化方向與控制電壓的關(guān)系。這可以是正的（意味著電壓的正變化會(huì)導(dǎo)致頻率升高）或負(fù)的（意味著電壓的負(fù)變化會(huì)導(dǎo)致頻率升高）。需要指定此參數(shù)或假設(shè)某些斜率由制造商。
 
作為一般經(jīng)驗(yàn)法則，不要指定超出必要的偏差范圍。這是因?yàn)榫哂休^大偏差的 VCXO 在溫度和時(shí)間方面的穩(wěn)定性較差。舉個(gè)例子：
•±25 ppm 偏差VCXO 的溫度穩(wěn)定性在0°C 至+50°C 范圍內(nèi)可能為±10 ppm，年老化率為±1 ppm。
•±1000 ppm 偏差VCXO 的溫度穩(wěn)定性在0°C 至+50°C 范圍內(nèi)可能為±100 ppm，年老化率為±5 ppm。
石英晶體和時(shí)鐘振蕩器 (XO)
 
典型老化率：±1 ppm/年至±5 ppm/年
 
典型校準(zhǔn)容差：對(duì)于 AT 晶振，為 ±10 ppm
 
典型頻率調(diào)整范圍：±10 ppm 至 ±20 ppm
 
晶控時(shí)鐘振蕩器（XO）是一種利用石英晶體固有的溫度穩(wěn)定性來(lái)實(shí)現(xiàn)其溫度穩(wěn)定性的器件。 該特性通常以百萬(wàn)分之十 (ppm) 為單位指定。 室溫 (+25°C) 下的初始精度大部分取決于晶體的校準(zhǔn)。
 
可以結(jié)合頻率調(diào)整電子電路，以便可以調(diào)整室溫下的標(biāo)稱(chēng)頻率以適應(yīng)老化。 這種頻率調(diào)整將通過(guò)使用微調(diào)電容器實(shí)現(xiàn)，典型調(diào)整范圍為 ±10 ppm 至 ±20 ppm。 通過(guò)這種類(lèi)型的調(diào)整，+25°C 時(shí)的頻率通?？梢栽O(shè)置為 ±1 ppm。
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