壓控晶體振盪器是石英晶體振盪器的一種, 主要用於調頻及鎖相技術 。具有傳輸性能好、抗干擾性強 、節省功率等優點。
基本介紹
- 中文名：壓控晶振
- 外文名：Voltage-controlledcrystal vibration
壓控晶體振振盪器的工作原理,幾種有特殊作用的電壓控制迴路,壓控晶振溫頻特性[2],改善壓控晶振溫頻特性方法,
隨著電子技術日新月異的發展, 石英晶體振盪器在各個領域的套用越來越廣泛 ,它不僅大量地套用於通訊、導航、雷達、宇航以及頻標時標信號源的整機和設備中, 近年來還被廣泛地套用於民用消費類產品,如石英鐘、電子手錶及彩色電視等。壓控晶體振盪器是石英晶體振盪器的一種, 主要用於調頻及鎖相技術 。具有傳輸性能好、抗干擾性強 、節省功率等優點 , 因此, 許多地面移動通訊設備、機載通訊設備都採用調頻制,壓控晶體振盪器就是其中一個重要部件 。
晶體振盪器作為一種高穩定頻率源被廣泛套用在各種儀器設備中。其中，壓控晶體振盪器由於具有頻率可調的特點，成為各種接收機和應答機中不可或缺的關鍵部件。在這些設備中，為了補償晶振長期老化、 收發信號間都卜勒頻移等因素的影響，通常要求壓控晶振具有較寬的壓控範圍; 並且，為了適應野外、 空間等工作環境，還要求在寬溫範圍內具有良好的頻率溫度穩定性。
壓控晶振的頻率溫度穩定性由石英諧振器和振盪電路兩方面的溫度特性引起，通常以石英諧振器的溫度特性為主。對於高頻寬壓控晶振，經常會出現晶振的溫頻特性相對於石英諧振器的溫頻特性出現明顯偏移和惡化的情況。如果將該晶振用於應答機中，將會減小應答機在寬溫下的信號搜尋範圍，降低使用性能。
壓控晶體振振盪器的工作原理
壓控晶振中常使用 AT 切石英諧振器，通過在振盪迴路中引入一個可調元件，來實現振盪頻率隨壓控電壓調節的功能。可調元件通常為變容二極體。變容管是一種電容可以隨著外加電壓而改變電容值的元件，通過改變加在變容管上的電壓，使得石英諧振器的負載電容發生變化，從而諧振迴路的諧振頻率隨之變化，達到壓控的目的。
用外加電壓對晶振的頻率進行控制 ,這就是壓控晶振, 壓控頻偏和壓控線性是壓控晶振要解決的2 個主要問題, 下面介紹的一種壓控晶振 ,中心頻率為 2 . 048 MHz/2V ,壓控頻偏為 100 ppm∕( 2V ±2V),頻率穩定度為5 ×10-6/ ( 0 ～ 70 ℃), 輸出波形為方波,體積為20mm×13mm ×8mm。
晶體諧振器的選擇
石英晶體諧振器作為壓控晶體振盪器中的關鍵元件 ,其指標對壓控晶振的壓控頻偏有很大影響。將晶體諧振器與一負載電容 CL 串聯 , 並忽略諧振器的損耗,則諧振器的相對頻率偏移為:ΔfLfR=Cq2/(C0+C L), ( 1)
式( 1) 對 CL 求偏導,得負載電容對頻率的牽引率為:S = CLΔf Lf R =-Cq/2( C0+CL) , (2)
石英晶體諧振器作為壓控晶體振盪器中的關鍵元件 ,其指標對壓控晶振的壓控頻偏有很大影響。將晶體諧振器與一負載電容 CL 串聯 , 並忽略諧振器的損耗,則諧振器的相對頻率偏移為:ΔfLfR=Cq2/(C0+C L), ( 1)
式( 1) 對 CL 求偏導,得負載電容對頻率的牽引率為:S = CLΔf Lf R =-Cq/2( C0+CL) , (2)
由式( 2) 可知增大諧振器的動態電容 Cq 可增大頻率牽引率 。但頻率牽引率隨泛音次數的增加急劇減小。令 Cq1為泛音諧振器的動態電容, 則有 C q =n2×Cq1,可見如果晶體振盪器想獲得大的壓控頻偏,應採用基音諧振器。對於設計的 2 . 048 MHz 電路,如果直接使用 2 . 048 MHz 的基音晶體, 那么諧振器的尺寸就太大了, 無法實現 ,因此採用16 . 384 MHz的基音晶體, 起振後再進行八分頻 , 滿足指標的同時,大大縮小了體積.
變容二極體的選擇
變容二極體作為壓控晶振中的關鍵元件, 其性能和使用方法對振盪器的壓控頻偏和壓控線性影響很大 。令變容二極體的結電容為 Cj ,令加在變容二極體兩端的反向偏壓為 VR ,則有
變容二極體作為壓控晶振中的關鍵元件, 其性能和使用方法對振盪器的壓控頻偏和壓控線性影響很大 。令變容二極體的結電容為 Cj ,令加在變容二極體兩端的反向偏壓為 VR ,則有
Cj=K(VR+ ) , (3)
式( 3)中, K 為常數, 為接觸電勢差, n 為變容指數。變容指數 n 為變容二極體的重要電參數之一 ,它是指在規定的反向偏壓下, 雙對數坐標中變容二極體的電容隨電壓的變化斜率 , n 值越大, C-V 特性曲線越陡 。 n 值是反向偏壓的函式, 在某一特定偏壓下 n 值有一個最大值 nmax ,此時對應的電壓稱為中心電壓 ,在中心電壓下 ,變容二極體的電容稱為中心電容。
在壓控晶體振盪器中, 晶體與變容二極體的連線方式有串聯與並聯 2 種,串連時應選擇 n =1 的變容二極體 ,並聯時應選擇 C-V 特性曲線線性變化的變容二極體 ,在設計中採用的是變容二極體與晶體串聯的方式。一般來講由於晶體諧振器的個體特性比較明顯,還有變容二極體的特性也不是絕對的一致 ,所以壓控晶體振盪器的壓控線性嚴格來講都要經過調整,通過改變電路的元件值,來改善壓控頻偏與壓控線性度 。例如可以通過對壓控電壓分壓, 改變中心電壓值來改善壓控線性度, 也可以在變容二極體上串聯、並聯、或串並聯電容來改善壓控線性度, 還可以用 2 個變容二極體背靠背連線來改善壓控線性度,在實際套用中可以視情況本著簡化電路, 節約成本的原則而定。變容二極體作為壓控晶體振盪器中的關鍵元件,選擇時應注意以下幾點 : ① 變容二極體的中心電容要合適 ; ②變容二極體的 Cj ～ VR 特性的平均斜率要足夠大; ③變容二極體的 Cj ～ VR 特性曲線的線性要能滿足要求 。
式( 3)中, K 為常數, 為接觸電勢差, n 為變容指數。變容指數 n 為變容二極體的重要電參數之一 ,它是指在規定的反向偏壓下, 雙對數坐標中變容二極體的電容隨電壓的變化斜率 , n 值越大, C-V 特性曲線越陡 。 n 值是反向偏壓的函式, 在某一特定偏壓下 n 值有一個最大值 nmax ,此時對應的電壓稱為中心電壓 ,在中心電壓下 ,變容二極體的電容稱為中心電容。
在壓控晶體振盪器中, 晶體與變容二極體的連線方式有串聯與並聯 2 種,串連時應選擇 n =1 的變容二極體 ,並聯時應選擇 C-V 特性曲線線性變化的變容二極體 ,在設計中採用的是變容二極體與晶體串聯的方式。一般來講由於晶體諧振器的個體特性比較明顯,還有變容二極體的特性也不是絕對的一致 ,所以壓控晶體振盪器的壓控線性嚴格來講都要經過調整,通過改變電路的元件值,來改善壓控頻偏與壓控線性度 。例如可以通過對壓控電壓分壓, 改變中心電壓值來改善壓控線性度, 也可以在變容二極體上串聯、並聯、或串並聯電容來改善壓控線性度, 還可以用 2 個變容二極體背靠背連線來改善壓控線性度,在實際套用中可以視情況本著簡化電路, 節約成本的原則而定。變容二極體作為壓控晶體振盪器中的關鍵元件,選擇時應注意以下幾點 : ① 變容二極體的中心電容要合適 ; ②變容二極體的 Cj ～ VR 特性的平均斜率要足夠大; ③變容二極體的 Cj ～ VR 特性曲線的線性要能滿足要求 。
在設計的 2 . 048 MHz 電路中 ,我們選用了型號為 HVU417C 的變容二極體, 表 1 是試驗過程中 5 只晶振的壓控指標 。從試驗結果可以看出 , 無論是壓控頻偏還是壓控對稱性 、壓控線性均能滿足指標 ,且電路一致性很好, 適宜大批量生產。
幾種有特殊作用的電壓控制迴路
壓控電壓變大時 ,振盪頻率變高 ,壓控電壓變小時, 振盪頻率變低 , 這種關係稱為正斜率 。這種電壓控制迴路在實際套用比較常見 ,另外還有一些在實際套用中比較少見的電壓控制迴路 ,下面簡要介紹 2 種 。
具有負斜率特性的壓控迴路
實際套用中有時需要一種負斜率的壓控特性,即壓控電壓變大, 振盪頻率變低 , 壓控電壓變小, 振盪頻率變高 。加在變容二極體兩端的反向偏壓 VR ≈ V0 -VC ,當 VC 增大時 VR減小,變容二極體的結電容變大,振盪頻率降低; 反之,VC 減小時 VR 增大,變容二極體的結電容變小,振盪頻率升高。
實際套用中有時需要一種負斜率的壓控特性,即壓控電壓變大, 振盪頻率變低 , 壓控電壓變小, 振盪頻率變高 。加在變容二極體兩端的反向偏壓 VR ≈ V0 -VC ,當 VC 增大時 VR減小,變容二極體的結電容變大,振盪頻率降低; 反之,VC 減小時 VR 增大,變容二極體的結電容變小,振盪頻率升高。
有提升電壓的壓控迴路
有時壓控晶振指標給出的壓控電壓範圍很窄,需要的壓控頻偏範圍卻很寬 ,而且對稱性的要求也很嚴格 ,這時由於給出的中心電壓很低,不容易滿足上述指標,利用電路手段提高中心電壓.
有時壓控晶振指標給出的壓控電壓範圍很窄,需要的壓控頻偏範圍卻很寬 ,而且對稱性的要求也很嚴格 ,這時由於給出的中心電壓很低,不容易滿足上述指標,利用電路手段提高中心電壓.
壓控晶振溫頻特性[2]
晶振的溫頻特性由石英諧振器的溫頻特性和振盪電路的溫頻特性兩部分組成。其中，石英諧振器是晶振中的關鍵元器件，對於一定的切型和切角，具有相應的頻率溫度特性。
通常情況下，晶振電路中各種元器件溫頻特性的影響較小。因此，晶振的溫頻特性與其內部石英諧振器的溫頻特性較為接近。但當晶振壓控範圍過寬時，振盪電路中各元器件溫頻特性的影響加大。而且，為了保證諧振迴路的正常工作，通常會使用較大的激勵功率，結果導致晶振的溫度特性變差。對於高頻壓控晶振，這種現象更為突出。雖然，通過溫補或恆溫等措施可以改善壓控晶振的溫頻特性，但是會顯著增加電路的複雜度和功耗。因此，為了改善高頻壓控晶振的溫頻特性，需要採取更加簡便有.
改善壓控晶振溫頻特性方法
合適的壓控範圍
壓控晶振的頻率展寬是以犧牲諧振迴路的品質因數為代價的。當壓控晶振的壓控範圍較大時，在不同壓控範圍下，振盪電路中元器件對晶振溫頻特性的影響明顯不同。壓控晶振溫頻曲線的高低溫翻轉點相對於石英諧振器發生了的變化。並且，不同壓控範圍下，晶振和振盪電路的溫頻特性有明顯差異。減小振盪電路的壓控範圍可以改善晶振的溫頻特性。所以，在壓控範圍滿足套用要求的情況下，應適當調節頻率展寬網路的參數，不要過分展寬，以免引起晶振溫頻特性的急劇惡化。
壓控晶振的頻率展寬是以犧牲諧振迴路的品質因數為代價的。當壓控晶振的壓控範圍較大時，在不同壓控範圍下，振盪電路中元器件對晶振溫頻特性的影響明顯不同。壓控晶振溫頻曲線的高低溫翻轉點相對於石英諧振器發生了的變化。並且，不同壓控範圍下，晶振和振盪電路的溫頻特性有明顯差異。減小振盪電路的壓控範圍可以改善晶振的溫頻特性。所以，在壓控範圍滿足套用要求的情況下，應適當調節頻率展寬網路的參數，不要過分展寬，以免引起晶振溫頻特性的急劇惡化。
合理的激勵功率
AT 切石英諧振器具有較明顯的幅頻效應，其激勵電流與振盪頻率之間存在如下關係Δf/f0 = Di2 q ( 8)
式中: Δf/f0 ———振盪頻率的相對變化; D———電流常數; iq———石英諧振器的激勵電流。
如果石英諧振器的激勵過大，會導致晶振頻率穩定度下降。實際上，石英諧振器的頻率溫度曲線並不是理想的三次曲線，經常會存在一些跳點。當激勵偏大時，這些跳點的幅度就會變大，位置也可能發生變化，使晶體的溫頻曲線發生明顯變形。並且，振盪電路的激勵過大，也會使電路中其它元件的影響加大，從而進一步惡化晶振的頻率溫度穩定性。
AT 切石英諧振器具有較明顯的幅頻效應，其激勵電流與振盪頻率之間存在如下關係Δf/f0 = Di2 q ( 8)
式中: Δf/f0 ———振盪頻率的相對變化; D———電流常數; iq———石英諧振器的激勵電流。
如果石英諧振器的激勵過大，會導致晶振頻率穩定度下降。實際上，石英諧振器的頻率溫度曲線並不是理想的三次曲線，經常會存在一些跳點。當激勵偏大時，這些跳點的幅度就會變大，位置也可能發生變化，使晶體的溫頻曲線發生明顯變形。並且，振盪電路的激勵過大，也會使電路中其它元件的影響加大，從而進一步惡化晶振的頻率溫度穩定性。
石英諧振器的激勵為 100μW 時，晶振頻率溫度穩定性為 ± 19． 43 × 10 － 6，激勵為 500μW時晶振的頻率溫度穩定性為 ± 32． 17 × 10 － 6。激勵為 500μW 時，晶振的高低溫翻轉點分別為 70℃ 和－ 40℃ ，而激勵為 100μW 時，晶振的高低溫翻轉點分別為 60℃ 和 － 30℃。可見，減小激勵可有效提高晶振的頻率溫度穩定性。因此，在設計高頻寬壓控晶振時，應儘量減小振盪電路對石英諧振器的激勵，避免由於激勵過大而引起的晶振頻率穩定度下降問題.
