目前我們熟知的晶體振蕩器類型至少有5種，而且每一種的應(yīng)用產(chǎn)品范圍似乎都差不多，因此一些工程師在選擇Oscillator上容易犯難。特別是TCXO溫補(bǔ)晶振與OCXO恒溫晶振，常常讓人分不清區(qū)別，認(rèn)為這兩種都是差不多，其實(shí)有很大的區(qū)別。晶振廠家金洛鑫電子為大家講解每種振蕩器的特性和原理，以及相關(guān)的技術(shù)知識(shí)，讓工程師和采購更多的了解有源晶振，有利于使用。

石英晶體和時(shí)鐘振蕩器：

典型的老化速率范圍為±1ppm/年至±5ppm/年

晶體控制時(shí)鐘振蕩器（XO）是實(shí)現(xiàn)它的溫度穩(wěn)定性的設(shè)備來自石英晶振的固有的溫度穩(wěn)定性（也參見晶體振蕩器）。該特性通常以百萬分之幾（ppm）表示。室溫（+25°C）下的初始精度取決于大部分晶體的校準(zhǔn)。AT晶體的典型校準(zhǔn)公差為±10ppm。可以結(jié)合頻率調(diào)節(jié)電子電路，以便可以調(diào)節(jié)室溫下的標(biāo)稱頻率以進(jìn)行老化。這種頻率調(diào)節(jié)可以通過使用微調(diào)電容器來實(shí)現(xiàn)，典型的調(diào)節(jié)范圍是±10ppm至±20ppm。通過這種類型的調(diào)整，+25°C的頻率通常可設(shè)置為±1ppm。

VCXO振蕩器：

典型的老化速率為±1ppm/年至±5ppm/年

VCXO（壓控晶振）是一種晶體振蕩器，其頻率可通過外部施加的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。VCXO在頻率調(diào)制（FM）和鎖相環(huán)（PLL）系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。典型的偏差范圍可以是±10ppm至±2000ppm。允許晶體振蕩器頻率受電壓控制的器件稱為變?nèi)荻O管。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)帶電介質(zhì)的帶相反電荷的板組成。二極管只不過是PN硅結(jié)。兩個(gè)區(qū)域的相對(duì)邊緣用作板。反向偏置迫使電荷遠(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，這降低了電容。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)點(diǎn)附近更密集，這導(dǎo)致耗盡層更窄，并且電容更大。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相對(duì)于控制電壓的方向。這可以是正的，意味著電壓的正變化將導(dǎo)致頻率變高或者可以是負(fù)的，這意味著電壓的負(fù)變化將導(dǎo)致頻率變高。需要指定此參數(shù)，否則制造商將承擔(dān)一定的斜率。作為一般經(jīng)驗(yàn)法則，不要指定比必要更多的偏差范圍。其原因是具有更多偏差的VCXO石英晶體振蕩器將隨溫度和時(shí)間變得不穩(wěn)定。舉個(gè)例子：

在0°C至+50°C范圍內(nèi)，VCXO的±25ppm偏差的溫度穩(wěn)定性可能為±10ppm，年老化率為±1ppm。在0°C至+50°C范圍內(nèi)，VCXO的±1000ppm偏差的溫度穩(wěn)定性可能為±100ppm，年老化率為±5ppm。

TCXO晶體振蕩器：

典型的老化速率為±0.50ppm/年至±2ppm/年

TCXO是溫度補(bǔ)償晶體振蕩器。TCXO的基本構(gòu)建模塊是VCXO，偏差范圍約為±50ppm，溫度敏感網(wǎng)絡(luò)。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，該電壓在工作溫度范圍內(nèi)的任何溫度下校正VCXO的頻率。從TCXO獲得的典型溫度穩(wěn)定性為±0.20ppm至±2.0ppm。由此可以看出，TCXO在時(shí)鐘振蕩器上的溫度穩(wěn)定性提高了十倍。

要?jiǎng)?chuàng)建溫度補(bǔ)償電路，我們需要一些東西來感知環(huán)境溫度。熱敏電阻是大多數(shù)TCXO晶振中的典型傳感器件。熱敏電阻是電阻器件，其電阻取決于環(huán)境溫度。有兩種類型的熱敏電阻，即具有正系數(shù)的熱敏電阻，這意味著它們的電阻隨著溫度的升高而上升，而負(fù)系數(shù)熱敏電阻的電阻隨溫度的升高而下降。典型的溫度補(bǔ)償電路將熱敏電阻和電阻器組合成分壓器網(wǎng)絡(luò)，以在任何溫度下產(chǎn)生所需的校正電壓。該校正電壓施加到變?nèi)荻O管。

如果溫度補(bǔ)償電路精確匹配晶體的溫度曲線，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)世界中是不可獲得的。每個(gè)晶體的溫度穩(wěn)定性略有不同，精確的熱敏電阻系數(shù)和值不能始終提供完美的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域。通常，給定的熱敏電阻組用于生產(chǎn)批次中的所有TCXO。這將允許大多數(shù)TCXO被修正為可接受的穩(wěn)定性。如果需要更嚴(yán)格的溫度穩(wěn)定性，可以在生產(chǎn)過程中調(diào)整熱敏電阻，但由于測試時(shí)間較長，TCXO的成本會(huì)增加。

要克服的另一個(gè)主要問題是晶體溫度穩(wěn)定性的擾動(dòng)（曲線擬合數(shù)據(jù)的偏差）。這些與平滑溫度曲線的偏差難以補(bǔ)償，如果它們的持續(xù)時(shí)間很短，則無法補(bǔ)償。如果TCXO的溫度穩(wěn)定性要求太緊，可能必須更換一些晶體并開始生產(chǎn)測試。這將增加TCXO振蕩器的成本。由于TCXO的老化速率為0.50ppm/年至2.0ppm/年，因此需要將頻率調(diào)整為+25°C以抵消老化效應(yīng)。大多數(shù)TCXO具有類似于時(shí)鐘振蕩器的機(jī)械頻率調(diào)整。典型的調(diào)節(jié)范圍為±5ppm。

OCXO晶體振蕩器

典型老化率為±2x10-7/年至±2x10-8/年

該OCXO是一個(gè)振蕩器，它是溫度受控（帶恒溫箱的晶體控制振蕩器）。這種類型的振蕩器具有溫度控制電路，以將晶體和關(guān)鍵部件保持在恒定溫度。當(dāng)需要±1×10-8或更高的溫度穩(wěn)定性時(shí)，通常使用OCXO。雖然這種類型的振蕩器比TCXO在溫度穩(wěn)定性方面有十倍的改進(jìn)，但OCXO的價(jià)格往往更高并且消耗更多功率。在穩(wěn)態(tài)條件下，+25°C環(huán)境下的典型功率為1.5瓦至2.0瓦。

溫度對(duì)OCXO電路的影響：

OCXO振蕩器的關(guān)鍵是在外部環(huán)境溫度變化時(shí)將晶體和一些其他振蕩器元件保持在一個(gè)溫度。這可能與冬季的房屋有關(guān)，其中位于房屋內(nèi)的恒溫器檢測到溫度變化，并控制爐子以保持所需的溫度。什么是所需的操作溫度？操作溫度是晶體的轉(zhuǎn)折點(diǎn)之一（參見晶體部分）。在轉(zhuǎn)折點(diǎn)，頻率與溫度曲線的斜率為零。這意味著即使溫度略微上升或下降，頻率變化也是最小的。

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獠繙囟葹?/span>+35°C，您無法使用爐子將房屋的溫度控制在+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振蕩器電路的工作溫度高10°C。對(duì)于OCXO，熱敏電阻（在TCXO部分中描述）相當(dāng)于室內(nèi)的恒溫器。它用于檢測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)部件是比較器電路，用于控制熱源中產(chǎn)生的功率量。

比較器電路：

該比較器電路由運(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。操作溫度稱為設(shè)定點(diǎn)，并通過在正常生產(chǎn)過程中選擇的選定值電阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。在正常操作期間，熱敏電阻通過改變到略微不同的電阻值來感測環(huán)境溫度變化。比較器電路然后調(diào)節(jié)產(chǎn)生的功率以使熱敏電阻返回到原始電阻值并且晶體和電路溫度恢復(fù)到原始設(shè)定點(diǎn)溫度。

OCXO以類似于房屋的方式使用隔熱材料。絕緣用于減輕環(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。使用的絕緣越好，保持在設(shè)定點(diǎn)溫度所需的功率越小。典型OCXO晶振的溫度控制器電路將設(shè)定點(diǎn)溫度保持在±1°C或更低。典型OCXO的溫度穩(wěn)定性范圍為±1x10-7至±1x10-9。

雙爐OCXO：

如果需要更嚴(yán)格的穩(wěn)定性（±1x10-10到±5x10-11），則需要所謂的雙爐振蕩器。這是通過將OCXO放入另一個(gè)烤箱包裝中來實(shí)現(xiàn)的。該外部烤箱將緩沖OCXO的環(huán)境變化，兩個(gè)溫度控制器的組合可將設(shè)定點(diǎn)溫度保持在±0.10°C以內(nèi)。這種振蕩器需要更大的封裝，消耗更多功率，并且價(jià)格更高。在+25°C環(huán)境溫度下雙爐振蕩器的典型功率在穩(wěn)態(tài)條件下為3.0瓦至4.0瓦。

由于OCXO的老化速率為0.20ppm/年至2.0x10-8/年，因此需要將頻率調(diào)整為+25°C以抵消老化效應(yīng)。大多數(shù)OCXO具有類似于TCXO振蕩器的機(jī)械頻率調(diào)整。典型的調(diào)節(jié)范圍為+2ppm至±0.20ppm。

OCXO中的石英晶體切割類型：

晶體切割的類型也會(huì)增加有源晶振的穩(wěn)定性。某些類型的切口在其轉(zhuǎn)折點(diǎn)處具有不同的頻率與溫度的斜率。例如，對(duì)于+80°C的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，SC型晶體的斜率可能為5x10--9/°C，而對(duì)于80型，AT型晶體的斜率可能為1x10-8/°C°C轉(zhuǎn)折點(diǎn)。使用相同的溫度控制器，AT型晶體的頻率將是SC型晶體的兩倍。溫度穩(wěn)定性和工作溫度范圍將決定所用的晶體類型。