石英晶振是無線通信系統中頻率確定元件的絕佳選擇.與電感電容,陶瓷,微帶和表面聲波諧振器等其他選擇相比,設計人員非常欣賞石英晶體的高品質因數,合理成本和溫度性能.當石英晶體振蕩器用于無線設計時,乘法和鎖相環電路通常用于擴展無線頻譜的實際頻率范圍.
當指定振蕩器中使用的晶體時,在設計過程早期對基本參數進行明智的考慮非常重要.當開發壓控晶體振蕩器和溫補晶體振蕩器時,這些參數變得至關重要,因為這些基本選擇為這些器件奠定了基礎,并影響最終設計的成功.
進行切割
石英在機械,電氣和化學性質方面特別適合制造頻率控制裝置.石英晶體是從石英棒上切割下來的,石英棒在高壓釜中生長.鋸片切割石英的角度決定了晶體的許多電學性質.
無線應用中最常見的晶體切割角度是自動切割(見圖1).以這種方式制造的晶振在相對較高的頻率下可用,表現出優異的頻率與溫度穩定性,并且成本適中.從1兆赫到1千兆赫以上的基本諧振頻率是可能的,但是由于價格和其他限制,大多數AT切割晶體被制造成具有1.8到40兆赫之間的基本頻率.AT切割晶體的諧振模式(泛音)大約是基模的奇數倍(見圖2).為這些泛音指定的晶體通常在24至200兆赫的頻率范圍內.
圖1 由于它具有頻率和成本優勢，因此AT切割晶體首選用于無線應用
重要規格參數
當指定用于無線設計的晶體時,一些參數特別重要,包括容差,穩定性,溫度范圍和負載電容.這些參數需要特別考慮,因為它們對于合理的設計至關重要,并且還會影響特定石英晶振的可制造性和成本.
晶體的容差是指室溫下與目標頻率的最大允許頻率偏差,以百萬分之幾(ppm)表示.例如,具有10Pm頻率容差的10MHz晶體可以具有高于或低于10MHz高達100赫茲(10Pm×10MhZ=100赫茲)的實際諧振頻率響應.公差默認值范圍為30至50ppm低于10ppm的值可根據頻率和持有者以更高的價格獲得.
晶體穩定性是在基準25℃讀數的工作溫度范圍內允許的頻率誤差.默認值為50ppm至100ppm,不過穩定性低至10ppm的貼片晶振也是可用的,具體取決于所需的頻率和封裝.
對于給定的工作模式,晶體的頻率與其厚度成反比.高頻晶體較薄,對便攜式和移動無線應用中通常遇到的沖擊和振動更敏感.
無線設計工程師可以使用幾個晶體支架.設計靈活性最大的最低成本持有者是HC49U.這種電阻焊接封裝是舊的焊接密封HC-18/U的直接替代品.HC80U和FD也是受歡迎的支架型號.
除了無線應用環境的機械要求,設計人員還需要考慮散熱要求.大多數無線應用要求晶振能夠在-40℃到+85℃的工業溫度范圍內工作.晶體也可以指定在商業溫度范圍(0℃到70℃)內使用,對于某些產品,還可以指定在軍用溫度范圍(-55℃到+105℃)內使用.
圖2 AT切割晶體的泛音落在基本模式的大約奇數倍
負載電容
負載電容是指定晶體時最容易被忽略的參數之一.在流行的皮爾斯振蕩器電路中,晶體兩側都有一個接地電容,負載電容等于兩個電容加上Cstray的串聯組合.(Cstray是由有源晶振器件的布局,電路板材料以及輸入和輸出阻抗對電路貢獻的電容總和.)
Cstray的一個好的經驗法則是5pF.如果用變容二極管代替其中一個電容器,可以通過在變容二極管上施加調諧電壓來“拉”頻率.這種配置可以作為簡單VCXO的基礎.如果調諧電壓來自熱敏電阻網絡,可以調整頻率以消除溫度的影響.這種配置是TCXO振蕩器的一種方法.這兩種特性的結合稱為TCVCXO.
用于基本模式VCXO的HC49U晶體的可拉性規格可能具有以下形式:
CL=20至45pF,可拉性=-100ppm最大值,CL=20至10pF,可拉性=+100ppm最小值.
較小的晶振大約有HC49U一半的可拉性.泛音晶體的可拉性降低1/n2,其中n是泛音模式(即1,3,5等).).
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