石英晶體振蕩器設(shè)計(jì)參考

1、石英晶體振蕩器設(shè)計(jì)參考振蕩器是一種將直流電能轉(zhuǎn)換為具有一定頻率的交流電能的裝 置，而將石英晶體諧振器（以下簡(jiǎn)稱晶體）作為頻率控制元件的振蕩 器就叫做石英晶體振蕩器（以下簡(jiǎn)稱晶振）。由于晶體的機(jī)械品質(zhì)因 數(shù)（q值）可達(dá)到1（/106數(shù)量級(jí)，其相移隨頻率的變化 很大，故晶振有很高的頻率穩(wěn)定度，約在10 1012的范圍。目前晶 振被廣泛應(yīng)用到軍、民用通信電臺(tái)、微波通信設(shè)備、程控電話交換機(jī)、 無(wú)線電綜合測(cè)試儀、移動(dòng)電話發(fā)射臺(tái)、高檔頻率計(jì)數(shù)器、gps、衛(wèi)星 通信、遙控移動(dòng)設(shè)備等?？谇熬д裼幸韵掳祟悾浩胀ň菡袷幤鳎▁0）、壓控晶體振蕩器 （vcx0）、溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（tcx0）、恒溫晶體振蕩器（0c

2、x0）、 溫補(bǔ)壓控品體振蕩器（tcvcx0）、恒溫壓控晶體振蕩器（0cvcx0）、 微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器（mcx0）和御-晶體振蕩器。其中，溫度補(bǔ)償晶 體振蕩器包括模擬溫補(bǔ)、數(shù)字溫補(bǔ)、模擬-數(shù)字混合溫補(bǔ)和單片機(jī)溫 補(bǔ)的晶體振蕩器。以下根據(jù)晶振的分類和應(yīng)用，對(duì)晶振設(shè)計(jì)吋需考慮的問(wèn)題做一下 簡(jiǎn)單介紹。1. 晶體的選用（1）切型的選取晶體的切型有 at、bt、ct、dt、et、ft、st、x+5、ac、bc、 fc、lc、sc等，每種切型都有各自的特性，而目前在晶振中應(yīng)用最 多的切型是at切和sc切。由于at切石英片的尺寸合適，便于加工，體積可以做的很小， 在較寬的溫度范圍內(nèi)具有良好的頻率溫度特性（在

3、-55°c85°c范圍 內(nèi)可達(dá)到土25x10%）,并有較高的壓電活性等優(yōu)點(diǎn)，從而得到最廣泛 的應(yīng)用。它是冇英諧振器屮最重要的一種切型，頻率范圍約為 800khz350mhz,采用離子刻蝕技術(shù)，其基音頻率可達(dá)到1ghz左 右。目前的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器基木都是采用的at切型晶體。sc切晶體是一種雙旋轉(zhuǎn)切型品體。rti于它具有應(yīng)力補(bǔ)償和熱瞬 變補(bǔ)償特性，故其頻率與熱應(yīng)力及電極應(yīng)力在表面內(nèi)所產(chǎn)生的應(yīng)力無(wú) 關(guān)。因此，這種切型具有老化小、相位噪聲低、短期頻率穩(wěn)定性好、 熱滯效應(yīng)小及開機(jī)特性好等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于高穩(wěn)定晶體振蕩器。其 老化率可達(dá)到1012/d,短期頻率穩(wěn)定度可達(dá)到10認(rèn)。但

4、是它具有a、 b、c三種振動(dòng)模式，而且不希望有的b模（工作在c模式上）總是 伴隨c模一起出現(xiàn)，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)要考慮b模的抑制。sc切晶 體的零溫度系數(shù)點(diǎn)（z.t.c.） 一般在80°c100°c,在z.t.c.點(diǎn)附近的 溫頻特性很好，所以這也是它廣泛應(yīng)用到恒溫晶體振蕩器中的原因之（2）激勵(lì)電平的選定晶體的激勵(lì)電平是晶體工作時(shí)所消耗功率的表征值。激勵(lì)電平可 選值有：2mw、lmw、0. 5mw、0. 2mw、0. lmw> 50 u w、20 uw、10 nw、 lliw、0. uw等。一般來(lái)講，at切晶體激勵(lì)電平的增人，其頻率變 化是正的，激勵(lì)電平過(guò)高會(huì)引起非線性效

5、應(yīng)，導(dǎo)致可能出現(xiàn)寄豐振蕩、 嚴(yán)重?zé)犷l漂、過(guò)應(yīng)力頻漂及電阻突變，當(dāng)激勵(lì)電平過(guò)低時(shí)則會(huì)造成起 振阻力不易克服、工作不良及指標(biāo)的不穩(wěn)定，我們通常選擇0. lmwo sc切晶體的幅頻效應(yīng)比at切的低的多，因此其工作電流可比at切 晶體所允許的電流大。(3) q值的要求晶體的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)q值可用下式計(jì)算：q=2nfsl1/ri=l/2nfsc1r1晶體的q值對(duì)晶振相位噪聲的影響是相當(dāng)大的，所以在設(shè)計(jì)低噪 聲晶振的時(shí)候一定要考慮晶體的q值。晶體的q值和頻率有如下關(guān)系: f q=l. 5x10"(4) 寄生頻率的控制在網(wǎng)絡(luò)分析儀觀測(cè)晶體諧振器的頻率阻抗特性，可以很清楚的看 到它的寄生情況，所謂寄生

6、就是我們不期望的耦合振動(dòng)頻率，如果寄 生過(guò)高，而晶振的電路又設(shè)計(jì)在臨界狀態(tài)，那么就很容易使寄生頻率 淹沒主振頻率。我們一般要求晶體的寄生要比主振頻率低7dbo(5) 泛音的選取根據(jù)不同的應(yīng)用和不同的頻段，合理選擇晶體的泛音模式。振動(dòng) 模式與頻率關(guān)系：基頻135mhz3次泛音1075mhz5次泛音50150mhz7次泛咅100200mhz9次泛音150250mhz2. 振蕩電路的選取晶體振蕩器電路分為并聯(lián)晶體振蕩電路和串聯(lián)晶體振蕩電路。我 們經(jīng)常應(yīng)用的是并聯(lián)晶體振蕩電路，晶體丁作在串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián) 諧振頻率之間，即呈現(xiàn)電感性。它具有簡(jiǎn)單實(shí)用、穩(wěn)定可靠、調(diào)整方 便的優(yōu)點(diǎn)。在串聯(lián)晶體振蕩電路中晶體

7、工作在串聯(lián)諧振頻率上，晶體 具有穩(wěn)頻和濾波的作用，另外有些串聯(lián)晶體振蕩電路對(duì)晶體的q值有 倍增的作用，因此常應(yīng)用于高穩(wěn)晶振中。3. 晶振種類的選定根據(jù)不同的應(yīng)用可靈活選擇晶振種類，再根據(jù)種類給出不同的設(shè) 計(jì)方案。各種晶振主要性能對(duì)照表主要性能px0vcx0tcxo0cx0頻率范圍/mhz0. 1 3分頻分頻分頻分頻335基頻基頻基頻基頻、泛音30 200泛音泛音高基頻泛音、倍頻泛音、倍頻150300泛音鎖相、高基頻鎖相3002500倍頻或鎖相鎖相鎖相頻率溫度穩(wěn)定度ix 10 51 x 10-51x10-5 ix 10 71x10 71x10“在tcxo中，模擬補(bǔ)償?shù)念l率溫度穩(wěn)定度一般為ix 10 5ix 10鐵 數(shù)字補(bǔ)償一般為1x 21 x 10'7o4. 電源和負(fù)載的影響晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定性會(huì)受到振蕩器電源電壓變動(dòng)以及振蕩器負(fù)載變動(dòng)的影響。正確選擇振蕩器可將這些影響減到最少。設(shè)計(jì)者應(yīng)在建議的電源電壓容弟和負(fù)載下檢驗(yàn)振蕩器的性能，不能期望只能額定驅(qū)動(dòng)15pf的振蕩器在驅(qū)動(dòng)50pf時(shí)會(huì)有好的表現(xiàn)，在超過(guò)建議的電源電壓下工作的振蕩器也可能會(huì)呈現(xiàn)較差的波形和穩(wěn)定性。晶體振蕩器應(yīng)選用穩(wěn)壓性