四种晶体振荡器的工作原理介绍

晶体振荡器是指从一定方向角切割石英晶体（称为芯片）、石英晶体谐振器、石英晶体或晶体、晶体振荡器；但在包装中添加IC构成谐振电路的晶体元件称为晶体振荡器。其产品一般用塑料外壳包装，也用玻璃外壳、瓷器或塑料包装。本文推荐了以下四种晶体振荡器：温度控制晶体振荡器（OCXO）、晶体振荡器的温度补偿(TCXO)、一般晶体振荡器(SPXO)、压制晶体振荡器(VCXO)。

(1) 控温晶体振荡器(以下简称OCXO)

该类晶体振动采用恒温槽技术解决温度稳定性问题，将晶体放置在恒温槽中，通过设置温度控制工作点，保持槽体恒温，在一定范围内不受外部温度的影响，达到输出频率稳定的效果。该晶体振动主要用于各种通信设备，包括交换机、SDH传输设备、移动通信直接放电机、GPS接收器、广播电台、数字电视和设备。根据用户的必要性，这种类型的晶振能带压控引脚。

OCXO的主要特点是，由于采用恒温槽技术，频率和温度特性在所有类型的晶体振动中都是如此，由于电路原理精确，其短稳定性和相位噪声较好。主要缺点是功耗大，体积大，正常运行必须加热5分钟。我公司生产的晶体振动的常见指标如下：

(2) 晶体振荡器(以下简称TCXO)的温度补偿

TCXO温补晶体振荡器是一种石英晶体振荡器，其附带的温度补偿电路降低了周围温度变化产生的振荡频率变化。其温度补偿的原理是通过改变振荡电路中的负载电容来补偿谐振器因工作温度变化而形成的频率漂移。

晶体振动的作用是为系统提供基本的时钟信号。一般来说，一个系统共用一个晶体振动，以便于所有部件的同步。一些通信系统的基频和射频使用不同的晶体振动，并通过电子调节频率保持同步。

晶体振动通常与锁相环电路一起使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同的子系统需要不同频率的时钟信号，则可以通过连接到相同晶体振动的不同锁相环提供。

温度稳定性的解决方案采用了一些温度补偿方法。关键原理是控制晶体振动的输出频率，通过感应工作温度来实现稳定的输出频率。传统的TCXO采用模拟设备进行补偿。随着补偿技术的发展，许多大型智能补偿TCXO开始出现。这种智能补偿TCXO也被称为DTCXO。当我们使用单片机进行补偿时，我们称之为MCXO。由于采用数字技术，这种类型的晶体振荡器在温度特性上具有较高的精度，能够适应较宽的工作温度范围，主要用于领域和应用困难环境的场所。在大多数研发人员的共同努力下，我公司独立开发了高精度MCXO，其结构设计在全球范围内，具有高度自动化的生产测试系统，月产量可达5000个，其结构设计如下图所示。

(3) 一般晶体振荡器(SPXO)

这是一种简单的晶体振荡器，通常被称为钟振，其工作原理是清除图3中的“压力控制”、“温度补偿”和“温度补偿”AGC“部分完全由晶体的自由振荡完成。这种晶体振荡器主要用于稳定性要求较低的地方。

(4) 压制晶体振荡器(VCXO)

这是根据晶体振动是否具有压力控制功能进行分类的。带压力控制输入引脚的晶体振动称为VCXO。上述三种晶体振动都可以带压力控制端口。

晶振指标总频差：晶体振荡器频率与标准频率之间的误差，是由所需工作和非工作参数的所有组合引起的。

说明：总频差包括频率温度稳定性、频率老化率误差、频率电压特性和频率负载特性引起的频差。一般来说，只关注其短期频率稳定性，选择不严格要求其他频率稳定性指标的场所。例如：精密导雷达。

频率稳定性：任何晶体振动，频率不稳定是的，水平不同。晶体振动的输出频率随时间变化曲线如图2所示。图中显示了三个频率不稳定因素：老化、漂移和短稳定性。

曲线1用0.1秒检测状态，显示晶振短稳；曲线3用100秒检测状态，显示晶振漂移；曲线4 需要一天的时间来检测情况。显示晶振老化。

频率温度稳定性：在标准电源和负荷下，在要求的温度范围内工作时，没有隐含标准温度或隐含标准湿度的允许频率偏差。

ft=±(fmax-fmin)/(fmax fmin)

ftref ＝±MAX[｜(fmax-fref)/fref｜，｜(fmin-fref)/fref｜]

ft：频率温度稳定性(无隐含标准温度)

ftref：频率温度稳定性(带隐含标准温度)

fmax ：要求环境温度内测量的频率

fmin：要求环境温度内测量的频率

fref：要求标准温度测量的频率

注：Ftref指标晶体振荡器的生产难度高于Ftref指标晶体振荡器，因此Ftref指标晶体振荡器的价格较高。

启动特性(稳定频率预热时间)：指重启后一段时间（如5分钟）次数到重启后另一段时间（如1小时）次数的变化率。它表示晶体振动的稳定速率。该指标对频率计等常用开关仪器非常有用。

表明：在大多数应用中，晶体振荡器长期加电，但在某些应用中，晶体振荡器必须经常启动和关闭，需要考虑频率稳定预热时间指标（特别是在恶劣环境下常用的军用通信电台，当规定频率和温度稳定性时≤±0.3ppm(-45℃～85℃)，以OCXO为本振，频率稳定，预热时间不少于5分钟，而使用MCXO只需十几秒钟)。

频率老化率：在恒定的自然条件下测量振荡器频率时，振荡器频率与时间的关系。这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器电路元件的缓慢变化引起的。因此，其频率偏移的速度称为老化率，可用于要求期限后的变化率（如±10ppb/天，通电72小时后)，或在规定时限内变化总频率(如:±1ppm/(年)和±描述5ppm/(十年)。

晶体老化是由于生产晶体时存在应力、污染物、残余气体、结构工艺缺陷等问题。应力需要一段时间才能稳定。一种称为“应力补偿”的晶体切割方法（SC切割方法）使晶体具有良好的特性。

污染物和残留气体分子会附着在晶体片上或氧化晶体电级。振荡频率越大，使用的晶体片越薄，影响越大。这种影响需要很长时间才能逐渐稳定，这种稳定性会随着温度或运行状态的变化而重复——使污染物再次集中或分散在晶体表面。因此，低频晶振比高频晶振、工作时间长的晶振比工作时间短的晶振、连续运行的晶振比间歇运行的晶振老化率好。

显示：TCXO的老化率为：±0.2ppm～±2ppm(年)和±1ppm～±5ppm(10年)(TCXO除特殊情况外，很少选择日常频率老化率指标，因为即使在实验室条件下，温度变化引起的频率变化也会大大超过温度补偿晶体振荡器的日常频率老化，因此该指标失去了具体意义)。OCXO的老化率为：±0.5ppb～±10ppb/天(通电72小时后)，±30ppb～±2ppm(年)，±0.3ppm～±3ppm(十年)。

短期稳定性：短期稳定性，观察时间为1ms、10ms、100ms、1秒、10秒。

晶体振动的输出频率受到内部电源的影响（晶体的Q值、部件的噪声、电源的稳定性、运行状态等），频带宽度不稳定。测量一系列频率值后，用阿伦方程计算。相位噪声也能反映短稳定性（需要特殊仪器测量）。

重现：定义：晶体振动长期稳定后关闭，关闭t1（如24小时），启动t2（如4小时），测量频率f1，同时关闭t1，同时启动t2，测量频率f2。重现=（f2-f1）/f2。

频率压控范围：将频率控制电压从基准电压调整到规定的终点电压，晶体振荡器频率的峰值变化。

表示：基准电压为＋2.5V，要求终点电压为＋0.5V和＋4.5V，压控晶体振荡器在＋当0.5V频率控制电压时，频率变化为-2ppm＋4.5V频率控制电压时频率变化＋2.1ppm，VCXO电压控制频率压控范围为：≥±2ppm(2.5V±2V)，斜率为正，线形为正 2.4%。

压控频率响应范围：当调制频率发生变化时，峰值频率偏差与调制频率之间的关系。一般来说，多个DB表示，规定的调制频率低于规定的调配基准频率。

说明VCXO频率压控范畴的频率响应为0～10kHz。

频率压控线形：输出频率-输入控制电压传输特性的测量，与理想（直线）函数相比，表示整个类别的频率偏差可以允许非线性度。

显示：典型的VCXO频率压控线为：≤±10%，≤±20%。简单的VCXO频率压控线形计算方法为(当频率压控极性为正极性时)：

频率压控线形＝±((fmax-fmin)/ f0)×100%

fmax：压控电压时VCXO的输出频率

fmin：压控电压时VCXO的输出频率

f0：压力控制中心电压频率

单边带相位噪声￡(f)：偏移载波f处，相位调制边带的功率与载波功率的比例。

输出波形：输出波形可分为波形和正弦波。

波形主要用于数字通信系统时钟，对方波主要需要输出电平、占空比、上升/下降时间、驱动能力等指标。

随着科学技术的飞速发展，高质量的信号源必须作为通信、雷达、高速数传等类似系统日益复杂的基带数据载波。这些理想状态下不可存在的频带成分(载波中的寄生调配)在包含寄生调幅和调相的载波信号(不干净的信号)被乘载数据的基带信号调配后，会导致传输的信号质量和数传误码率明显恶化。因此，载波信号的清洁度(频带纯度)作为传输信号的载体，直接影响通信质量。对于正弦波，通常需要提供谐波、噪声和功率等数据。

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