- 晶體振蕩器應(yīng)用分析
- 頻率穩(wěn)定度要求
- 電壓調(diào)諧與頻率變化的關(guān)系
- 控制電壓端口的輸入阻抗和調(diào)制帶寬
- 絕對(duì)牽引范圍與標(biāo)稱振蕩頻率偏移的關(guān)系
壓控晶體振蕩器（VCXO）是通過紅外加控制電壓使振蕩效率可變或是可以調(diào)制的石英晶體振蕩器。VCXO主要由石英諧振器、變?nèi)荻O管和振蕩電路組成，其工作原理是通過控制電壓來改變變?nèi)荻O管的電容，從而“牽引”石英諧振器的頻率，以達(dá)到頻率調(diào)制的目的。VCXO大多用于鎖相技術(shù)、頻率負(fù)反饋調(diào)制的目的。VCXO大多用于鎖相技術(shù)、頻率負(fù)反饋系統(tǒng)及頻率調(diào)制，已是通信機(jī)、移動(dòng)電話、尋呼機(jī)、全球定位系統(tǒng)（GPS）等眾多電子應(yīng)用系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵部件。
VCXO允許頻率控制的范圍比較寬，牽引度一般為（±35～±50）×10－6，實(shí)際可達(dá)±200×10－6。
隨著現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)向高頻、寬帶、便攜式方向發(fā)展，要求VCXO具有高頻、高性能、頻率范圍寬、線性度好、頻率穩(wěn)定度優(yōu)、頻率牽引誤差小、噪聲低和封裝尺寸小等特性。世界上各先進(jìn)國(guó)家競(jìng)相開發(fā)與生產(chǎn)高水平的產(chǎn)品來滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。表1為美國(guó)十大著名VCXO廠商生產(chǎn)的VCXO品種、性能和價(jià)格1。
VCXO技術(shù)規(guī)范中列有多項(xiàng)性能參數(shù)。這些參數(shù)往往是相互關(guān)聯(lián)的。我們不能一味追求某些參數(shù)的高指標(biāo)而忽視由此引起的其它參數(shù)的劣化。例如，VCXO允許的頻率控制范圍就是有限制的。一般來說，如果要求VCXO有較大的牽引度，則它在工作溫度范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定度就較差。反之，如果對(duì)頻率穩(wěn)定度要求高，就很難得到較大的牽引度（>±200×10－6）。因此，正確了解VCXO的技術(shù)規(guī)范和使用要求，對(duì)于在設(shè)計(jì)上用好這種器件是很關(guān)鍵的。下面我們將介紹VCXO電參數(shù)的特點(diǎn)和選用時(shí)應(yīng)注意的問題。
VCXO的確定
首先，要弄清楚具體應(yīng)用場(chǎng)合是需要VCXO，還是一般的振蕩器。當(dāng)設(shè)計(jì)人員希望通過外加控制電壓來對(duì)振蕩器的頻率作小范圍的調(diào)諧時(shí)，就應(yīng)選用VCXO器件。我們把這種振蕩器調(diào)諧稱為牽引度（pullability）。牽引度用10－6數(shù)量級(jí)表示。VCXO牽引度的典型值為±50×10－6～±200×10－6，要得到這種范圍的牽引度，VCXO產(chǎn)品一般采用標(biāo)準(zhǔn)圓形石英晶體。為了滿足牽引度范圍大的要求，設(shè)計(jì)上須用大尺寸晶體（直接0.25英寸～0.35英寸）。此外，如果要得到大范圍的牽引度，VCXO產(chǎn)品的晶體應(yīng)是基模晶體。
頻率穩(wěn)定度要求
VCXO用石英晶體作頻率控制元件，其振蕩頻率在工作溫度內(nèi)是穩(wěn)定的。當(dāng)我們對(duì)VCXO進(jìn)行調(diào)諧時(shí)，振蕩頻率會(huì)發(fā)生改變；但偏離標(biāo)稱頻率的各個(gè)頻率值在工作溫度范圍內(nèi)同樣是穩(wěn)定的。必須注意，對(duì)于一個(gè)給定的頻率而言，頻率穩(wěn)定度要求越高，要得到大范圍的牽引度就越困難。采用硅解決方案，不能獲得良好的頻率穩(wěn)定度。這是因?yàn)楣璐嬖陬潉?dòng)噪聲和相位噪聲所致。VCXO采用了石英晶體，頻率異常穩(wěn)定，是目前最好的頻率控制器件。
表1美國(guó)VCXO性能
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電壓調(diào)諧與頻率變化的關(guān)系
VCXO的頻率偏移值同加在其調(diào)諧電路上的控制電壓的大小有關(guān)。VCXO標(biāo)稱頻率對(duì)應(yīng)的調(diào)諧電壓規(guī)定為VCC（電源電壓）的一半。VCC為5V的VCXO，控制電壓為2.5V時(shí)就產(chǎn)生中心頻率。控制電壓為（0.5～4.5）V的VCXO，其頻率變化曲線的斜率為正。也就是說，當(dāng)控制電壓從2.5V上升為4.5V時(shí)，振蕩器的頻率將增大；當(dāng)控制電壓從2.5V降為0.5V時(shí)，振蕩器的頻率將減小。振蕩器的頻率隨控制電壓變化的特性，往往用調(diào)諧靈敏度這一物理量來描述。調(diào)諧靈敏度用單位10－6/V表示。如果VCXO的牽引度為±100×10－6，控制電壓范圍為（0.5～4.5）V，則其調(diào)諧靈敏度等于50×10－6/V。要求控制電壓沒有噪聲或其它可能引起振蕩器頻率和輸出波形特性發(fā)生突變的瞬態(tài)過程，這一點(diǎn)很重要。為把噪聲減至最小，經(jīng)常采取的措施是在電路板上把模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)分別接地。
相位噪聲和調(diào)制
一切振蕩器都有一些振幅調(diào)制噪聲和相位調(diào)制噪聲。VCXO的相位噪聲要受振蕩器電路結(jié)構(gòu)和石英晶體的影響。VCXO電源的瞬態(tài)過程或波紋產(chǎn)生的調(diào)制還會(huì)使它的相位噪聲性能惡化。相位噪聲的均方根值是由相位噪聲頻譜在給定帶寬內(nèi)求積分而推算出來的。相位噪聲是根據(jù)頻率相對(duì)于中心頻率的偏移量來界定的，用單位dBc/Hz表示。鎖相環(huán)電路使用的大多數(shù)VCXO器件必須具有良好的相位噪聲特性。如果應(yīng)用上對(duì)相應(yīng)噪聲有嚴(yán)格要求，選用VCXO時(shí)就一定要規(guī)定相位噪聲允許的范圍。
線性度
VCXO振蕩頻率隨控制電壓變化的函數(shù)關(guān)系是非線性的。設(shè)計(jì)優(yōu)良的VCXO，其頻率與控制電壓的函數(shù)曲線接近直線，偏離直線的范圍控制在±10％以內(nèi)。一般來說，VCXO的牽引度越大，它的線性度就越差。大多數(shù)VCXO的頻率與控制電壓的函數(shù)曲線都具有正斜率而且是單調(diào)的。因此，當(dāng)控制電壓增加時(shí)，牽引度就變大。
控制電壓端口的輸入阻抗和調(diào)制帶寬
當(dāng)以10kHz速率進(jìn)行調(diào)制時(shí)，VCXO控制電壓端口的輸入阻抗通常在50kΩ以上。生產(chǎn)廠商受到空間窄小的約束，不能在VCXO輸入端口采取充分的濾波措施來改進(jìn)它的調(diào)制帶寬和噪聲性能。VCXO典型的調(diào)制帶寬為直流至20kHz。調(diào)制頻率超過20kHz，VCXO輸出信號(hào)中可能會(huì)出現(xiàn)寄生響應(yīng)。在某些場(chǎng)合，可以采取措施使輸入阻抗和調(diào)制帶寬滿足特殊需要。
絕對(duì)牽引范圍與標(biāo)稱振蕩頻率偏移的關(guān)系
在工業(yè)上，定義VCXO牽引度的方法有兩種。一種方法叫做絕對(duì)牽引范圍（APR）。這種方法定義的牽引度考慮了VCXO各相關(guān)因素產(chǎn)生的所有頻率變化，因而給出的是總的牽引范圍。簡(jiǎn)言之，APR定義的牽引度等于VCXO相對(duì)于標(biāo)稱振蕩頻率的頻移同穩(wěn)定性、電壓變化、負(fù)載變化和老化特性等因素引起的頻率變化之和。例如，一個(gè)APR為±100×10－6的VCXO，它所追蹤的源信號(hào)在各種規(guī)定的工作條件下具有的最大頻率偏移將為±100×10－6。
定義VCXO牽引度的第二種方法僅僅考慮相對(duì)于標(biāo)稱振蕩頻率的頻率偏移。這種方法就沒有考慮總體穩(wěn)定性或老化特性的影響。
頻率與價(jià)格的關(guān)系
VCXO采用基模晶體來獲得要求的牽引度值。對(duì)于30MHz以下頻率，VCXO運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)圓形晶體設(shè)計(jì)。頻率超過30MHz后，標(biāo)準(zhǔn)基模晶體就很難制造。隨著頻率的增加，晶體變得越來越薄，制造過程中的操作也更加困難。在30MHz以上的頻率基模工作就需采用反向臺(tái)面晶體。反向臺(tái)面晶體制造技術(shù)是一種較新的技術(shù)，比傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)晶體加工技術(shù)復(fù)雜。因此，高頻率產(chǎn)品的加工往往損耗也較大。一般來說，采用反向臺(tái)面晶體的高頻VCXO產(chǎn)品比使用標(biāo)準(zhǔn)圓形晶體的低頻VCXO產(chǎn)品價(jià)格貴。30MHz以上的VCXO產(chǎn)品價(jià)格較高也就不難理解了。
工作電壓與工作電流
VCXO的電源電壓及其允許的誤差范圍，常常同器件的額定電流或最大電流一起同時(shí)加以規(guī)定。隨著電源電壓的降低（例如3.3V），控制電壓值也將減小。借助這種較低的控制電壓很難獲得大范圍的牽引度。如果VCXO是用小晶體封裝在小型表面組裝外殼內(nèi)制成的話，情況更是如此。
輸出要求
VCXO可提供適合TTL、ECL、CMOS等集成電路要求的多種輸出。設(shè)計(jì)人員要弄清楚設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，只有這樣，才能為特定的應(yīng)用選擇正確的輸出類型。
波形要求
VCXO還對(duì)對(duì)稱性、邏輯電平、上升時(shí)間、下降時(shí)間等波形參數(shù)作了規(guī)定。現(xiàn)有VCXO產(chǎn)品可滿足TTL、ECL、CMOS等集成電路的波形參數(shù)要求。對(duì)上升時(shí)間、下降時(shí)間和對(duì)稱性要求十分嚴(yán)格時(shí)，要特別注意負(fù)載的大小和基準(zhǔn)電平的高低，以免對(duì)廠商給出的參數(shù)值造成誤解。
