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石英晶體振蕩器的可調(diào)性和穩(wěn)定度

來源：http://www.tuanchewang.com 作者：konuaer 2013年08月15

要使振蕩器諧調(diào)在寬的頻率范圍內(nèi)，就會降低其穩(wěn)定度，因為要使振蕩器按要求進(jìn)行調(diào)諧，同時也會使振蕩器容易受不合要求的調(diào)諧因素影響。調(diào)諧范圍越寬，就越難以保持高的穩(wěn)定度。例如，如果設(shè)計OCXO 的短期穩(wěn)定度在某一平均時間為1×10-12，而可調(diào)性為1×10-7，則晶體的負(fù)載電抗在上述平均時間必須穩(wěn)定在上1×10-5。要獲得這樣的穩(wěn)定度使困難的，因為影響負(fù)載電抗的因素有：寄生電容和電感、變?nèi)荻O管的電容與電壓特性的穩(wěn)定度，以及加在變?nèi)荻O管上的電壓的穩(wěn)定度。此外，1×10-5 的負(fù)載電抗穩(wěn)定度不僅必須在開始條件下保持，而且在環(huán)境條件（溫度、振動、輻射等）變化時，也必須保持。
同時，高穩(wěn)定度10 MHz 的恒溫壓控晶振的頻率調(diào)整范圍為5×10-7，老化率為2×10-8/y，而寬調(diào)諧范圍的10 MHz 壓控晶振的調(diào)諧范圍為50 ppm，老化率為2 ppm/y。
振蕩器的縮寫

從歷史上來說，在美國，軍事上的需求已成為研究石英振蕩器的主要推動力。特別是在早期美國軍方資助大部分的研究。按照民間說法，縮寫XO 代替CO 的主要原因是，在美國軍隊里，CO 是“指揮官”的縮寫而且由于“crystal”聽起來有點象“xtal”。（隨后，有人指出，XO 是在軍隊中是“執(zhí)行官”的縮寫，但這以后，XO 是“石英振蕩器”的縮寫就逐漸被人接受）。
石英晶體振蕩器的分類
以晶體器件的頻率溫度特性來分類的三種晶體振蕩器是：1、 XO，晶體振蕩器，這種振蕩器沒有能夠降低晶體頻率溫度特性的器件（也稱為密封式晶體振蕩器PXO）。
2、TCXO，溫補(bǔ)振蕩器，在這種振蕩器中，來自溫度傳感器（熱敏電阻）的輸出信號被用來產(chǎn)生校正電壓，加在晶體網(wǎng)絡(luò)中的變?nèi)荻O管上。電抗的變化用以補(bǔ)償晶體的頻率溫度特性。模擬的TCXO 在晶體的頻率隨溫度變化的范圍內(nèi)能夠提供大概20 倍的改善。
3、 OCXO，恒溫控制晶體振蕩器，在這種振蕩器中，晶體和其他溫度敏感元件均裝在穩(wěn)定的恒溫槽中，而恒溫槽被調(diào)整到頻率隨溫度的變化斜率為零的溫度上。OCXO能夠在晶體頻率隨溫度變化的范圍內(nèi)提供1000 倍以上的改善。

振蕩器的等級

振蕩器類型*	準(zhǔn)確度**	典型應(yīng)用
晶體振蕩器(XO)	10-5~10-4	計算機(jī)定時
溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)	10-6	在戰(zhàn)術(shù)無線電傳送中作頻率控制
微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器(MCXO)	10-8 ~10-7	頻譜展寬系統(tǒng)的時鐘
恒溫控制晶體振蕩器(OCXO)	10-8	導(dǎo)航系統(tǒng)時鐘和頻率標(biāo)準(zhǔn)，MTI 雷達(dá)
小型原子頻率標(biāo)準(zhǔn)(Rb，RbXO)	10-9	C3 衛(wèi)星終端，收發(fā)分置和多收發(fā)分置雷達(dá)
高性能原子頻率標(biāo)準(zhǔn)(Cs)	10-12~10-11	戰(zhàn)略C3、電子戰(zhàn)

振蕩器電路類型
在許多振蕩器電路中，有三種常用的振蕩器電路，它們是皮爾斯振蕩電路，考畢茲振蕩電路和克拉普振蕩電路。這些振蕩電路除了頻射接地點位置不同外，電路的構(gòu)成都是相同的。布特勒和修正的布特勒振蕩電路也是彼此相似的，每一種電路中的發(fā)射極電流就是晶體的電流。門電路振蕩器是皮爾斯型的，它使用了一個邏輯門并在皮爾斯振蕩器的晶體管位置加了一個電阻。（某些門電路振蕩器使用一個以上的門電路。）

    振蕩器電路類型的選擇取決于以下因素：所要求的頻率、穩(wěn)定度、輸入電壓和功率，輸出功率和波形、可調(diào)性、設(shè)計的復(fù)雜性、成本和晶體器件的特性。
   在皮爾斯系列中，接地點位置對性能有很大的影響。皮爾斯電路的接法相對于寄生電抗和偏置電阻來說，一般要好于其他幾種電路，因為它們多半是跨接在電路的電容上，而不是跨接在晶體器件上。它是高穩(wěn)定度振蕩器應(yīng)用最廣泛的電路之一。在考畢茲電路的接法中，較大部分寄生電容出現(xiàn)在晶體的兩端，同時偏置電阻也跨接在晶體上，這就會降低性能。克拉普電路的接法很少使用，因為集電極直接于晶體連接，這就很難將直流電壓加在集電極上而有不引入損耗或寄生振蕩（更詳細(xì)的內(nèi)容，見參考文獻(xiàn)）。
    雖然皮爾斯系列可以通過把電感與晶體串聯(lián)起來使它工作在串聯(lián)諧振上，但是它一般還是工作在“并聯(lián)諧振”上（參見第3 部分電阻頻率與電抗的關(guān)系）。布特勒系列通常工作在（或接近）串聯(lián)諧振上，皮爾斯系列可以被設(shè)計用來使晶體電流高于或低于發(fā)射極電流情況下進(jìn)行工作。
    當(dāng)高穩(wěn)定性不是主要考慮的問題時，門電路振蕩器時數(shù)字系統(tǒng)的常用電路。

                                                                     康華爾電子

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