石英晶体振荡器的原理及应用

四、电压控制晶体振荡器（VCXO）

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。目前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系列表面贴装VCXO，采用引线封装时高度为0.185英寸，采用扁平封装时仅为0.15英寸，工作频率可在1～160MHz内选择，标准频率调整范围为±100ppm，线性度优于±10％，稳定度优于±25ppm/0～70℃，老化率为±2ppm/年，输出负载达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），面向全球移动通信系统（GSM）和个人数字蜂窝电话（PDC），可用频率范围为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·爱普生公司利用ST切型晶片制作的声表面波（SAW）谐振器（Q≌2000），型号为FS－555，用4.8mm×5.2mm×1.5mm陶瓷容器包封，振荡频率范围达250～500MHz，频率初始偏差为±25～100ppm，在－20～60℃范围内的频率稳定度是±27ppm，老化率为±10ppm/年。利用FS－555组成的压控SAW振荡器内部结构如图3所示。欲扩大频率调节范围，可加大串联电感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）的高频化提供了一条重要途径。

五、恒温控制晶体振荡器（OCXO）

CXO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。

在近几年中，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。

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。
                                
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，都是生产石英晶体器件较大的厂商。国内生产石英晶体振荡器等元器件的单位有原电子工业部第十研究所、北京707厂、国营第875厂和一些合资企业等。我国对人造石英晶体及其元器件的研究开发起步较早，目前拥有的生产能力也较大。就石英晶体振荡器而言，与国外先进水平比较，主要是在片式化、小型化、高频化和频率温度特性等方面还存在差距。尽快缩小这些差距，进一步扩大生产规模，提高产品性价比，是提高在国际市场上竞争力的必由之路。与此同时，还要跟踪该器件发展的新动向，如，视频发生器等振荡器的研究与应用。