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石英晶体振荡器的原理及应用

宣布时间:2011年08月09日 10:08    宣布者:ipolo
要害词: 石英晶体振荡器
一、弁言

虽然石英晶体振荡器的应用已有几十年的历史,但因其具有频率稳固度高这一特点,故在电子手艺领域中一直占有主要的职位。特殊是信息手艺(IT)家当的高速生长,更使这类晶体振荡器焕收回勃勃活力。石英晶体振荡器在远程通讯、卫星通讯、移动德律风系统、全球定位系统(GPS)、导航、遥控、航空航天、高速盘算机、周详计测仪器及破费类夷易近用电子产物中,作为尺度频率源或脉冲旌旗暗记源,供应频率基准,是现在其它类型的振荡器所不克不及替换的。小型化、片式化、低噪声化、频率高精度化与高稳固度及高频化,是移动德律风和天线寻呼机为代表的便携式产物对石英晶体振荡器提出的请求。现实上石英晶体振荡器在生长历程当中,也面临像频率发生器这类电路的潜在威逼和寻衅。此类振荡器只需在手艺上赓续创新,才干延伸其寿命周期,在竞争中占有优势。

2、石英晶体振荡器基本结构及使命原理

石英晶体振荡器分非温度赔偿式晶体振荡器、温度赔偿晶体振荡器(TCXO)、电压控制晶体振荡器(VCXO)、恒温控制式晶体振荡器(OCXO)和数字化/μp赔偿式晶体振荡器(DCXO/MCXO)等几种类型。其中,无温度赔偿式晶体振荡器是最质朴的一种,在日本工业尺度(JIS)中,称其为尺度封装晶体振荡器(SPXO)。现以SPXO为例,简要简介一下石英晶体振荡器的结构与使命原理。

石英晶体,有自然的也有自然的,是一种主要的压电晶体质料。石英晶体自己着实不是振荡器,它只需借助于有源勉励和无源电抗群集方可发生振荡。SPXO主若是由品行因数(Q)很高的晶体谐振器(即晶体振子)与反映式振荡电路组成的。石英晶体振子是振荡器中的主要元件,晶体的频率(基频或n次谐波频率)及其温度特点在很年夜水平上取决于其切割取向。石英晶体谐振器的基本结构、(金属壳)封装及其等效电路如图1所示。

只需在晶体振子板极上施加交变电压,就会使晶片产活力械变形振动,此情形即所谓逆压电效应。当外加电压频率即是晶体谐振器的固有频率时,就会发生压电谐振,从而招致机械变形的振幅突然增年夜。在图1(c)所示的晶体谐振器的等效电路中,Co为晶片与金属板之间的静电电容;L、C为压电谐振的等效参量;R为振动磨擦消耗的等效电阻。石英晶体谐振器存在一个勾通谐振频率fos(1/2π),同时也存在一个并联谐振频率fop(1/2π)。由于Co?C,fop与fos之间之差值很小,而且R?ωOL,R?1/ωOC,以是谐振电路的品行因数Q异常高(可达数百万),从而使石英晶体谐振器组成的振荡器频率稳固度很是高,可达10-12/日。石英晶体振荡器的振荡频率既可近似使命于fos处,也可使命在fop相近,是以石英晶体振荡器可分勾通型和并联型两种。用石英晶体谐振器及其等效电路,取代LC振荡器中组成谐振回路的电感(L)和电容(C)元件,则很容易明确晶体振荡器的使命原理。

SPXO的总精度(网罗肇端精度和随温度、电压及负载发生的变换)可以到达±25ppm。SPXO既无温度赔偿也无温度控制措施,其频率温度特点简直完全由石英晶体振子的频率温度特点所决议。在0~70℃规模内,SPXO的频率稳固度通常为20~1000ppm,SPXO可以用作钟频振荡器。

3、温度赔偿晶体振荡器(TCXO)

TCXO是经由历程附加的温度赔偿电路使由周围温度变换发生的振荡频率变换量增添的一种石英晶体振荡器。

1.TCXO的温度赔偿要领

现在在TCXO中,对石英晶体振子频率温度漂移的赔偿措施主要有直接赔偿和直接赔偿两种类型:

(1)直接赔偿型

直接赔偿型TCXO是由热敏电阻和阻容元件组成的温度赔偿电路,在振荡器中与石英晶体振子勾通而成的。在温度变换时,热敏电阻的阻值和晶体等效勾通电容容值照顾变换,从而抵消或增添振荡频率的温度漂移。该赔偿要领电路质朴,资源较低,节俭印制电路板(PCB)尺寸和空间,适用于小型和高压小电流场所。但当请求晶体振荡器精度小于±1pmm时,直接赔偿要领着实不合适。

(2)直接赔偿型

直接赔偿型又分模拟式和数字式两种类型。模拟式直接温度赔偿是应用热敏电阻等温度传感元件组成温度-电压变换电路,并将该电压施加到一支与晶体振子相串接的变容二极管上,经由历程晶体振子勾通电容量的变换,对晶体振子的非线性频率漂移阻拦赔偿。该赔偿要领能完成±0.5ppm的高精度,但在3V以下的低电压情形下遭到限制。数字化直接温度赔偿是在模拟式赔偿电路中的温度—电压变换电路以后再加一级模/数(A/D)变换器,将模拟量转换成数字量。该法可完成自动温度赔偿,使晶体振荡器频率稳固度异常高,但详细的赔偿电路较量严重年夜,资源也较高,只适用于基地站和广播电台等请求高精度化的情形。

2.TCXO生长现状

TCXO在近十几年中取得长足生长,其中在周详TCXO的研究开发与临盆方面,日本居争先和主宰职位。在70年月末汽车德律风用TCXO的体积达20?以上,现在的主流产物降至0.4?,超小型化的TCXO器件体积仅为0.27?。在30年中,TCXO的体积镌汰了50余倍以致100倍。日本京陶瓷公司接纳回流焊接措施临盆的外面贴装TCXO厚度由4mm降至2mm,在振荡启动4ms后便可到达特殊振荡幅度的90%。金石(KSS)全体临盆的TCXO频率规模为2~80MHz,温度从-10℃到60℃变换时的稳固度为±1ppm或±2ppm;数字式TCXO的频率笼罩规模为0.2~90MHz,频率稳固度为±0.1ppm(-30℃~+85℃)。日本东泽通讯机临盆的TCO-935/937型片式直接温补型TCXO,频率温度特点(点频15.36MHz)为±1ppm/-20~+70℃,在5V±5%的电源电压下的频率电压特点为±0.3ppm,输入正弦波波形(幅值为1VPP),电流消耗缺乏2mA,体积1?,重量仅为1g。PiezoTechnology临盆的X3080型TCXO接纳外面贴装和穿孔两种封装,正弦波或逻辑输入,在-55℃~85℃规模内能到达±0.25~±1ppm的精度。国际的产物水平也较高,如北京瑞华欣科技开发无限公司推出的TCXO(32~40MHz)在室温下精度优于±1ppm,第一年的频率老化率为±1ppm,频率(机械)微调≥±3ppm,电源功耗≤120mw。现在高稳固度的TCXO器件,精度可达±0.05ppm。

高精度、低功耗和小型化,依然是TCXO的研究课题。在小型化与片式化方面,面临许多艰辛,其中主要的有两点:一是小型化会使石英晶体振子的频率可变幅度变小,温度赔偿加倍艰辛;二是片式封装后在其回流焊接作业中,由于焊接温度远高于TCXO的最年夜允许温度,会使晶体振子的频率发生变换,若不采限部门散热降温措施,难以将TCXO的频率变换量控制在±0.5×10-6以下。然则,TCXO的手艺水平的前进并没进入到极限,创新的内容和潜力仍较年夜。
                                
3.TCXO的应用

石英晶体振荡器的生长及其在无线系统中的应用

由于TCXO具有较高的频率稳固度,而且体积小,在小电流下能够快速启动,其应用领域重点扩年夜到移动通讯系统。

图2(a)为移动通讯机射频(RF)电路框图。TCXO作为基准振荡器为发送信道供应频率基准,同时作为吸收通道的第一级本机振荡器;此外一只TCXO作为第2级本机振荡器,将其振荡旌旗暗记输入到第2变频器。现在移动德律风请求的频率稳固度为0.1~2.5ppm(-30~+75℃),但出于资源上的推敲,通常选用的规格为1.5~2.5ppm。移动德律风用12~20MHz的TCXO代表性产物之一是VC-TCXO-201C1,接纳直接赔偿要领,外不雅不雅如图2(b)所示,由日本金石(KSS)公司临盆。

四、电压控制晶体振荡器(VCXO)

电压控制晶体振荡器(VCXO),是经由历程施加外部控制电压使振荡频率可变或是可以调制的石英晶体振荡器。在尺度的VCXO中,通常是经由历程调谐电压改变变容二极管的电容量来“牵引”石英晶体振子频率的。VCXO允许频率控制规模较量宽,现实的牵引度规模约为±200ppm以致更年夜。

假定请求VCXO的输入频率比石英晶体振子所能完成的频率还要高,可接纳倍频妄图。扩年夜调谐规模的此外一个措施是将晶体振荡器的输入旌旗暗记与VCXO的输入旌旗暗记混频。与单一的振荡器相比,这类外差式的两个振荡器旌旗暗记调谐规模有显着扩年夜。

在移动通讯基地站中作为高精度基准旌旗暗记源应用的VCXO代表性产物是日本精工·爱普生公司临盆的VG-2320SC。这类接纳与IC异常塑封的4引脚器件,内装伶仃开发的公用IC,器件尺寸为12.6mm×7.6mm×1.9mm,体积为0.19?。其尺度频率为12~20MHz,电源电压为3.0±0.3V,使命电流不年夜于2mA,在-20~+75℃规模内的频率稳固度≤±1.5ppm,频率可变规模是±20~±35ppm,启动振荡时间小于4ms。金石全体临盆的VCXO,频率笼罩规模为10~360MHz,频率牵引度从±60ppm到±100ppm。VCXO封装生长趋势是朝SMD偏向生长,而且在电源电压方面尽能够接纳3.3V。日本东瀛通讯机临盆的TCO-947系列片式VCXO,早在90年月中期前就应用于汽车德律风系统。该系列VCXO的使命频率点是12.8MHz、13MHz、14.5MHz和15.36MHz,频率温度特点±2.5ppm/-30~+75℃,频率电压特点±0.3ppm/5V±5%,老化特点±1ppm/年,外部接纳SMD/SMC,并接纳激光束和汽相点焊要领封装,高度为4mm。日本富士电气化学公司开发的小我手持德律风系统(PHS)等移动通讯用VCXO,共有两年夜类六个系列,为顺应SMT请求,所有接纳SMD封装。Saronix的S1318型、Vectron国际公司的J型、Champion手艺公司的K1526型和Fordahi公司的DFVS1-KH/LH等VCXO,均是外面贴装器件,电源电压为3.3V或5V,可笼罩的频率规模或最高频率划分为32~120MHz、155MHz、2~40MHz和1-50MHz,牵引度从±25ppm到±150ppm不等。MF电子公司临盆的T-VCXO系列产物尺寸为5mm×7mm,曾被业内以为是形状尺寸最小的产物,但这个小型化的纪录很快被打破。现在新推出的双频终端机用VCXO尺寸仅为5.8mm×4.8mm,而且有的内装2只VCXO。Raltron电子公司临盆的VX-8000系列外面贴装VCXO,接纳引线封装时高度为0.185英寸,接纳扁平封装时仅为0.15英寸,使命频率可在1~160MHz内选择,尺度频率调剂规模为±100ppm,线性度优于±10%,稳固度优于±25ppm/0~70℃,老化率为±2ppm/年,输入负载达10个LSTTL(单价达10美元以上)。

于1998年7月上市的单价2000日元的UCV4系列压控振荡器(VCO),面向全球移动通讯系统(GSM)和小我数字蜂窝德律风(PDC),可用频率规模为650~1700MHz,电源电压为2.2~3.3V,尺寸仅为4.8mm×5.5mm×1.9mm,体积为0.05?,重量0.12g。

日本精工·爱普生公司应用ST切型晶片制造的声外面波(SAW)谐振器(Q≌2000),型号为FS-555,用4.8mm×5.2mm×1.5mm陶瓷容器包封,振荡频率规模达250~500MHz,频率初始误差为±25~100ppm,在-20~60℃规模内的频率稳固度是±27ppm,老化率为±10ppm/年。应用FS-555组成的压控SAW振荡器外部结构如图3所示。欲扩年夜频率调治规模,可加年夜勾通电感Lo的电感量。由于SAW谐振器的频率可达2GHz以上,为压控SAW振荡器(VCSO)的高频化供应了一条主要蹊径。

五、恒温控制晶体振荡器(OCXO)

CXO是应用恒温槽使晶体振荡器或石英晶体振子的温度保持恒定,将由周围温度变换惹起的振荡器输入频率变换量增添到最小的晶体振荡器,其外部结构如图4所示。在OCXO中,有的只将石英晶体振子置于恒温槽中,有的是将石英晶体振子和有关主要元器件置于恒温槽中,尚有的将石英晶体振子置于外部的恒温槽中,而将振荡电路置于外部的恒温槽中阻拦温度赔偿,实验两重恒温槽控制法。应用比例控制的恒温槽能把晶体的温度稳固度前进到5000倍以上,使振荡器频率稳固度至少保持在1×10-9。OCXO主要用于移动通讯基地站、国防、导航、频率计数器、频谱和群集剖析仪等装备、仪表中。

OCXO是由恒温槽控制电路和振荡器电路组成的。通常人们是应用热敏电阻“电桥”组成的差动勾通镌汰年夜器,来完成温度控制的。具有自动增益控制(AGC)的(C1app)振荡电路,是现在取得振荡频率高稳固度的较量理想的手艺妄图。

在近几年中,OCXO的手艺水平有了很年夜的前进。日本电波工业公司开发的新器件功耗仅为老产物的1/10。在战胜OCXO功耗较年夜这一弱点方面取得了严严重年夜突破。该公司应用应力赔偿切割(SCCut)石英晶体振子制造的OCXO,与应用AT切形石英晶体振子的OCXO较量,具有高许多的频率稳固度和异常低的相位噪声。相位噪声是指旌旗暗记过率与噪声功率的比率(C/N),是表征频率哆嗦的手艺目的。在对预期旌旗暗记既定赔偿处,以1Hz带宽为单元来丈量相位噪声。Bliley公司用AT切形晶系统体例造的NV45A在赔偿点10Hz、100Hz、1kHz和10kHz处的相位噪声划分为100、135、140和145dBc/Hz,而用SC切割晶系统体例成的异常OCXO,则在所有赔偿点上的噪声性能都优于5dBc/Hz。

金石全体临盆的OCXO,频率规模为5~120MHz,在-10~+60℃的温度规模内,频率稳固度有±0.02、±0.03和±0.05ppm,老化目的为±0.02ppm/年和±0.05ppm/年。Oak频率控制公司的4895型4.096~45MHz双恒温箱控制OCXO,温度稳固度仅为0.002ppm(2×10-10)/0~75℃;4895型OCXO的尺寸是50.8mm×50.8mm×38.3mm,老化率为±0.03ppm/年。假定体积镌汰一点,在性能目的上则会有所殉国。Oak公司临盆的10~25MHz外面贴装OCXO,频率稳固度为±0.05ppm/0~70℃。PiezoCrystal的275型用于全球定位系统(GPS)的OCXO接纳SC切形石英晶体振子,在0~75℃规模内总频偏小于±0.005ppm,最年夜老化率为±0.005ppm/年。Vectron国际公司的CO-760型OCXO,尺寸为25.4mm见方,高12.7mm,在OCXO产物中,体积算是较小的。随着移动通讯产物的迅猛增添,对OCXO的市场需求量会逐年增添。OCXO的生长偏向是顺应高频化、高频率稳固度和低相位噪声的请求,但在尺寸上的镌汰余地异常无限。
                                
日本金石、始建于1948年的NibonDempaKogyo公司和美国摩托罗位、韩国的Sunny-Emi等公司,都是临盆石英晶体器件较年夜的厂商。国际临盆石英晶体振荡器等元器件的单元有原电子工业部第十研究所、北京707厂、公营第875厂和一些合资企业等。我国对自然石英晶体及其元器件的研究开提议步较早,现在具有的临盆才干也较年夜。就石英晶体振荡器而言,与海内先进水平较量,主若是在片式化、小型化、高频化和频率温度特点等方面还存在差距。尽快镌汰这些差距,进一步扩年夜临盆规模,前进产物性价比,是前进在国际市场上竞争力的异曲同工。与此同时,还要跟踪该器件生长的新意向,如,视频发生器等振荡器的研究与应用。
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lm316 揭晓于 2011-8-10 23:39:13
chenyixian 揭晓于 2017-1-2 19:48:57
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