石英晶体振荡器的原理及应用

一、引言

尽管石英晶体振荡器的应用已有几十年的历史，但因其具有频率稳定度高这一特点，故在电子技术领域中一直占有重要的地位。尤其是信息技术（IT）产业的高速发展，更使这种晶体振荡器焕发出勃勃生机。石英晶体振荡器在远程通信、卫星通信、移动电话系统、全球定位系统（GPS）、导航、遥控、航空航天、高速计算机、精密计测仪器及消费类民用电子产品中，作为标准频率源或脉冲信号源，提供频率基准，是目前其它类型的振荡器所不能替代的。小型化、片式化、低噪声化、频率高精度化与高稳定度及高频化，是移动电话和天线寻呼机为代表的便携式产品对石英晶体振荡器提出的要求。事实上石英晶体振荡器在发展过程中，也面临像频率发生器这类电路的潜在威胁和挑战。此类振荡器只有在技术上不断创新，才能延长其寿命周期，在竞争中占有优势。

二、石英晶体振荡器基本结构及工作原理

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）封装及其等效电路如图1所示。

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。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为振动磨擦损耗的等效电阻。石英晶体谐振器存在一个串联谐振频率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，并且R?ωOL，R?1/ωOC，所以谐振电路的品质因数Q非常高（可达数百万），从而使石英晶体谐振器组成的振荡器频率稳定度十分高，可达10－12/日。石英晶体振荡器的振荡频率既可近似工作于fos处，也可工作在fop附近，因此石英晶体振荡器可分串联型和并联型两种。用石英晶体谐振器及其等效电路，取代LC振荡器中构成谐振回路的电感（L）和电容（C）元件，则很容易理解晶体振荡器的工作原理。

SPXO的总精度（包括起始精度和随温度、电压及负载产生的变化）可以达到±25ppm。SPXO既无温度补偿也无温度控制措施，其频率温度特性几乎完全由石英晶体振子的频率温度特性所决定。在0～70℃范围内，SPXO的频率稳定度通常为20～1000ppm，SPXO可以用作钟频振荡器。

三、温度补偿晶体振荡器（TCXO）

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。

1.TCXO的温度补偿方式

目前在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：

（1）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。

（2）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。

2.TCXO发展现状

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的体积缩小了50余倍乃至100倍。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。

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。
                                
3.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。

图2（a）为移动通信机射频（RF）电路框图。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，外观如图2（b）所示，由日本金石（KSS）公司生产。