晶体振荡器

石英晶体振荡器分 非温度补偿式晶体振荡器、温度补偿晶体振荡器(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补偿式晶体振荡器(DCXO/MCXO)等几种类型。其中，无温度补偿式晶体振荡器是最简单的一种，在日本工业标准(JIS)中 ，称其为标准封装晶体振荡器(SPXO)。

石英晶体器件

石英晶体振荡器 是利用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效应 制成的一种谐振器件，它的基本结构大致是从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片，它可以 是正方形、矩形或圆形等)，在它的两个对应面上涂敷银层 作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚 上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。石英晶体的压电效应:若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。注意，这种效应是可逆的。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。

石英晶体振荡器分非温度补偿式晶体振荡器、温度补偿晶体振荡器(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补偿式晶体振荡器(DCXO/MCXO)等几种类型。 其中，无温度补偿式晶体振荡器是最简单的一种，在日本工业标准(JIS)中，称其为标准封装晶体振荡器(SPXO)。现以SPXO为 例，简要介绍一下石英晶体振荡器的结构与工作原理。

石英晶体，有天然的也有人造的，是一种重要的压电晶体材料。石英晶体本身并非振荡器，它只有借助于有源激励和无源电抗网络方可产生振荡。SPXO主要是由品质因数(Q)很高的晶体谐振器(即晶体振子)与反馈式振荡电路组成的。石英晶体振子是振荡器中的重要元件，晶体的频率(基频或n次谐波频率)及其温度特性在很大程度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。只要在晶体振子板极上施加交变电压，就会使晶片产生机械变形振动，此现象即所谓逆压电效应。当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率时，就会发生压电谐振，从而导致机械变形的振幅突然增大。

石英晶体振荡器的应用:1、石英钟走时准、耗电省、经久耐用为其最大优点。不论是老式石英钟或是新式多功能石英钟都是以石英晶体振荡器为核心电路，其频率精度决定了电子钟表的走时精度。石英晶体振荡器原理的示意如图3所示，其中V1和V2构成CMOS反相器石英晶体Q与振荡电容C1及微调电容C2构成振荡系统，这里石英晶体相当于电感。振荡系统的元件参数确定了振频率。一般Q、C1及C2均为外接元件。另外R1为反馈电阻，R2为振荡的稳定电阻，它们都集成在电路内部。故无法通过改变C1或C2的数值来调整走时精度。但此时仍可用加接一只电容C有方法，来改变振荡系统参数，以调整走时精度。根据电子钟表走时的快慢，调整电容有两种接法:若走时偏快，则可在石英晶体两端并接电容C，如图4所示。此时系统总电容加大，振荡频率变低，走时减慢。若走时偏慢，则可在晶体支路中串接电容C。如图5所示。此时系统的总电容减小，振荡频率变高，走时增快。只要经过耐心的反复试验，就可以调整走时精度。因此，晶振可用于时钟信号发生器。晶振电路图2、随着电视技术的发展，近 来 彩电多采用500kHz或503kHz的晶体振荡器作为行、场电路的振荡源，经1/3的分频得到15625Hz的行频，其稳定性和可靠性大为提高。而且晶振价格便宜，更换容易。

3、在通信系统产品中，石英晶体振荡器的价值得到了更广泛的体现，同时也得到了更快的发展。许多高性能的石英晶振主要应用于通信网络、无线数据传输、高速数字数据传输等。

温度补偿晶体器件

温度补偿晶体振荡器(TCXO)是通过附加的温度补偿电路使由周围温度变化产生的振荡频率变化量削减的一种石英晶体振荡器。TCXO中，对石英晶体振子频率温度漂移的补偿方法主要有直接补偿和间接补偿两种类型:石英晶体振荡器⑴直接补偿型 直接补偿型TCXO是由热敏电阻和阻容元件组成的温度补偿电路，在振荡器中与石英晶体振子串联而成的。在温度变化时，热敏电阻的阻值和晶体等效串联电容容值相应变化，从而抵消或削减振荡频率的温度漂移。该补偿方式电路简单，成本较低，节省印制电路板(PCB)尺寸和空间，适用于小型和低压小电流场合。但当要求晶体振荡器精度小于±1pmm时，直接补偿方式并不适宜。

⑵间接补偿型 间接补偿型又分模拟式和数字式两种类型。模拟式间接温度补偿是利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，通过晶体振子串联电容量的变化，对晶体振子的非线性频率漂移进行补偿。该补偿方式能实现±0.5ppm的高精度，但在3V以下的低电压情况下受到限制。数字化间接温度补偿是在模拟式补偿电路中的温度-电压变换电路之后再加一级模/数(A/D)变换器，将模拟量转换成数字量。该法可实现自动温度补偿，使晶体振荡器频率稳定度非常高，但具体的补偿电路比较复杂，成本也较高，只适用于基地站和广播电台等要求高精度化的情况。

TCXO发展现状电子器件TCXO在近十几年中得到长足发展，其中在精密TCXO的研究开发与生产方面，日本居领先和主宰地位。在70年代末汽车电话用TCXO的体积达20 以上，目 前的主流产品降至0.4 ，超小型化的TCXO器件体积仅为0.27。在30年中，TCXO的体积缩小为1/50乃至1/100。日本京陶瓷公司采用回流焊接方法生产的表面贴装TCXO厚度由4mm降至2mm，在振荡启动4ms后即可达到额定振荡幅度的90%。金石(KSS)集团生产的TCXO频率范围为2~80MHz，温度从-10℃到60℃变化时的稳定度为±1ppm或±2ppm;数字式TCXO的频率覆盖范围为0.2~90MHz，频率稳定度为±0.1ppm(-30℃~+85℃)。日本东泽通信机生产的TCO-935/937型片式直接温补型TCXO，频率温度特性(点频15.36MHz)为±1ppm/-20~+70℃，在5V±5%的电源电压下的频率电压特性为±0.3ppm，输出正弦波波形(幅值为1VPP)，电流损耗不足2mA，体积1 ，重量仅为1g。PiezoTechnology生产的X3080型TCXO采用表面贴装和穿孔两种封装，正弦波或逻辑输出，在-55℃~85℃范围内能达到±0.25~±1ppm的精度。国内的产品水平也较高，如北京瑞华欣科技开发有限公司推出的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。目 前高稳定度的TCXO器件，精度可达±0.05ppm。温度补偿晶体振荡器高精度、低功耗和小型化，仍然是TCXO的研究课题。在小型化与片式化方面，面临不少困难，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，温度补偿更加困难;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的最大允许温度，会使晶体振子的频率发生变化，若不采限局部散热降温措施，难以将TCXO的频率变化量控制在±0.5×10-6以下。但是，TCXO的技术水平的提高并没进入到极限，创新的内容和潜力仍较大。

TCXO的应用

石英晶体振荡器的发展及其在无线系统中的应用，由于TCXO具有较高的频率稳定度，而且体积小，在小电流下能够快速启动，其应用领域重点扩展到移动通信系统。TCXO作为基准振荡器为发送信道提供频率基准，同时作为接收通道的第一级本机振荡器;另一只TCXO作为第2级本机振荡器，将其振荡信号输入到第2变频器。目 前 移动电话要求的频率稳定度为0.1~2.5ppm(-30~+75℃)，但出于成本上的考虑，通常选用的规格为1.5~2.5ppm。移动电话用12~20MHz的TCXO代表性产品之一是VC-TCXO-201C1，采用直接补偿方式，，由日本金石(KSS)公司生产。

应用:测试设备温度补偿晶体振荡器频率范围:1MHz-160MHz

常用频点:45 5.12 6 6.4 8.192 9.216 10 10.24 12 12.8 13 14.4 15.36 16.38 16.384 19.44 19.68 19.8 20 30.72 32.768 36.864 38.88 40 52 50 77.76 80 100 155.52

外形图:

电压控制晶体器件

电压控制晶体振荡器(VCXO)，是通过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。在典型的VCXO中，通常是通过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允许频率控制范围比较宽，实际的牵引度范围约为±200ppm甚至更大。如果要求VCXO的输出频率比石英晶体振子所能实现的频率还要高，可采用倍频方案。扩展调谐范围的另一个方法是将晶体振荡器的输出信号与VCXO的输出信号混频。与单一的振荡器相比，这种外差式的两个振荡器信号调谐范围有明显扩展。

在移动通信基地站中作为高精度基准信号源使用的VCXO代表性产品是日本精工·爱普生公司生产的VG-2320SC。这种采用与IC同样塑封的4引脚器件，内装单独开发的专用IC，器件尺寸为温度补偿晶体振荡器12.6mm×7.6mm×1.9mm，体积为0.19。其标准频率为12~20MHz，电源电压为3.0±0.3V，工作电流不大于2mA，在-20~+75℃范围内的频率稳定度≤±1.5ppm，频率可变范围是±20~±35ppm，启动振荡时间小于4ms。金石集团生产的VCXO，频率覆盖范围为10~360MHz，频率牵引度从±60ppm到±100ppm。VCXO封装发展趋势是朝SMD方向发展，并且在电源电压方面尽可能采用3.3V。日本东洋通信机生产的TCO-947系列片式VCXO，早在90年代中期前就应用于汽车电话系统。该系列VCXO的工作频率点是12.8MHz、13MHz、14.5MHz和15.36MHz，频率温度特性±2.5ppm/-30~+75℃，频率电压特性±0.3ppm/5V±5%，老化特性±1ppm/年，内部采用SMD/SMC，并采用激光束和汽相点焊方式封装，高度为4mm。日本富士电气化学公司开发的个人手持电话系统(PHS)等移动通信用VCXO，共有两大类六个系列，为适应SMT要求，全部采用SMD封装。Saronix的S1318型、Vectron国际公司的J型、Champion技术公司的K1526型和Fordahi公司的DFVS1-KH/LH等VCXO，均是表面贴装器件，电源电压为3.3V或5V，可覆盖的频率范围或最高频率分别为32~120MHz、155MHz、2~40MHz和1-50MHz，牵引度从±25ppm到±150ppm不等。MF电子公司生产的T-VCXO系列产品尺寸为5mm×7mm，曾被业内认为是外形尺寸最小的产品，但这个小型化的记录很快被打破。新推出的双频终端机用VCXO尺寸仅为5.8mm×4.8mm，并且有的内装2只VCXO。Raltron电子公司生产的VX-8000系。温度补偿晶体振荡器应用:移频直放站、测试设备、蜂窝基站

频率范围: 1MHz-200MHz

常用频点:12.8 13 15.36 16.38 16.384 18.432 19.44 20 30.72 32.768 36.864 38.88 40 44.545 51.2 58.078 65 70 73.6100 107.374 120 131.04 135.56

外形图:

恒温控制晶体器件

恒温控制晶体振荡器(OCXO)是利用恒温槽使晶体振荡器或石英晶体振子的温度保持恒定，将由周围温度变化引起的振荡器输出频率变化量削减到最小的晶体振荡器，其内部结构如图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重要元器件置于恒温槽中，还有的将石英晶体振子置于内部的恒温槽中，而将振荡电路置于外部的恒温槽中进行温度补偿，实行双重恒温槽控制法。利用比例控制的恒温槽能把晶体的温度稳定度提高到5000倍以上，使振荡器频率稳定度至少保持在1×10-9。OCXO主要用于移动通信基地站、国防、导航、频率计数器、频谱和网络分析仪等设备、仪表中。OCXO是由恒温槽控制电路和振荡器电路构成的。通常人们是利用热敏电阻"电桥"构成的差动串联放大器，来实现温度控制的。具有自动增益控制(AGC)的(C1app)振荡电路，是 目 前获得振荡频率高稳定度的比较理想的技术方案。OCXO的技术水平有了很大的提高。日本电波工业公司开发的新器件功耗仅为老产品的1/10。在克服OCXO功耗较大这一缺点方面取得了重大突破。该公司使用应力补偿切割(SCCut)石英晶体振子制作的OCXO，与使用AT切形石英晶体振子的OCXO比较，具有高得多的频率稳定度和非常低的相位噪声。相位噪声是指信号功率与噪声功率的比率(C/N)，是表征频率颤抖的技术指标。在对预期信号既定补偿处，以1Hz带宽为单位来测量相位噪声。Bliley公司用AT切形晶体制作的NV45A在补偿点10Hz、100Hz、1kHz和10kHz处的相位噪声分别为100、135、140和145dBc/Hz，而用SC切割晶体制成的同样OCXO，则在所有补偿点上的噪声性能都优于5dBc/Hz。电压控制晶体振荡器金石集团生产的OCXO，频率范围为5~120MHz，在-10~+60℃的温度范围内，频率稳定度有±0.02、±0.03和±0.05ppm，老化指标为±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，温度稳定度仅为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。如果体积缩小一点，在性能指标上则会有所牺牲。Oak公司生产的10~25MHz表面贴装OCXO，频率稳定度为±0.05ppm/0~70℃。PiezoCrystal的275型用于全球定位系统(GPS)的OCXO采用SC切形石英晶体振子，在0~75℃范围内总频偏小于±0.005ppm，最大老化率为±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产品中，体积算是较小的。随着移动通信产品的迅猛增长，对OCXO的市场需求量会逐年增加。OCXO的发展方向是顺应高频化、高频率稳定度和低相位噪声的要求，但在尺寸上的缩小余地非常有限。

应用:GPS时钟、移频直放站、基站、接入网、测试设备电压控制晶体振荡器特点:低相位噪声、高稳定度

频率范围: 1MHz-160 MHz

常用频点:4.09655.126.48.1929.83041010.2310.241212.81315.3615.616.3816.38419.442030.72 32.76836.86438.884040.54551.258.0786573.677.374120131.04160

外形图: