被廣泛用于各電子行領域中的石英晶體單元是已經施加電極的石英晶片,并且其被密封在支架結構中.晶體諧振器是一種機械振動系統,通過壓電效應與電氣世界相連,當電感器與晶體串聯連接時,操作頻率降低.通過增加或改變電抗來改變工作頻率的能力允許補償TCXO中晶體單元的頻率與溫度變化,并調節電壓控制石英晶體振蕩器的輸出頻率; 在兩者中,通過改變變容二極管上的電壓來改變頻率.
圖1是一個大大簡化的電路圖,顯示了晶體振蕩器的基本元件[1-3].晶體振蕩器的放大器包括至少一個有源器件,必要的偏置網絡;并且可以包括用于頻帶限制,阻抗匹配和增益控制的其他元件.反饋網絡由石英晶體諧振器組成,并且可以包含其他元件,例如用于調諧的可變電容器.
圖1.晶體振蕩器-簡化電路圖.
振蕩頻率由閉環相移=2np的要求決定,其中n是整數,通常為0或1.當振蕩器最初通電時,電路中唯一的信號是噪聲.噪聲的分量,其頻率滿足振蕩的相位條件,以增加的幅度在環路周圍傳播.增加的速率取決于過量的環路增益和晶體網絡的帶寬.振幅繼續增加,直到放大器增益降低,或者通過有源晶振元件的非線性(在這種情況下是自限制)或者通過外部電平控制方法.
在穩定狀態下,閉環增益=1.如果發生相位擾動Df,則振蕩頻率必須移位Df以維持2np相位條件.可以證明,對于串聯諧振振蕩器
其中QL是網絡中晶體的加載Q[1].("晶體"和"諧振器"通常可與"晶體單元"互換使用,但"晶體單元"是官方名稱.)晶體振蕩器設計信息可在參考文獻中找到1,2,5和7.晶體振蕩器的縮寫是XO.
晶體單元的共振頻率隨溫度而變化.頻率標準中使用的晶振的典型頻率與溫度(f與T)特性如圖11所示.基于處理晶體單元f與T特性的方法,三類晶體振蕩器為XO,TCXO和OCXO,(見圖12).簡單的XO不包含降低晶體f與T變化的方法.對于-55°C至+85°C的溫度范圍,典型的XOf對T穩定性可能為±25ppm.
圖2.AT切割晶體的頻率與溫度特性,顯示Y形棒石英中的AT-和BT-切割板.
圖3.基于晶體單元頻率與溫度特性的晶體振蕩器類別.
在TCXO晶振中,來自溫度傳感器(熱敏電阻)的輸出信號用于產生校正電壓,該校正電壓施加到晶體網絡中的電壓可變電抗(變容二極管)[13].電抗變化產生的頻率變化與溫度變化引起的頻率變化相等且相反;換句話說,電抗變化補償晶體的f對T變化.模擬TCXO可以提供比晶體f與T變化相比大約20倍的改進.對于-55°C至+85°C的溫度范圍,良好的TCXO可具有±1ppm的f對T穩定性.
在OCXO中,振蕩器電路的晶體單元和其他溫度敏感元件在烘箱中保持恒定溫度[13].制造的晶體具有f對T特性,其在烘箱溫度下具有零斜率.為了在整個OCXO的溫度范圍內保持穩定的烘箱溫度(沒有內部冷卻裝置),烘箱溫度選擇為高于OCXO晶振的最高工作溫度.與晶體的f與T變化相比,OCXO可以提供超過1000倍的改進.對于-55°C至+85°C的溫度范圍,良好的OCXO可具有優于±5x10-9的f對T穩定性.OCXO比TCXO需要更多功率,更大,成本更高.
補償振蕩器的一個特例是微機補償晶體振蕩器(MCXO)[14].MCXO克服了限制TCXO可達到的穩定性的兩個主要因素:測溫和晶體單元的穩定性.MCXO使用更精確的"自溫感應"方法,而不是晶體單元外部的溫度計,如熱敏電阻.在雙模OSCillator Crystal中同時激發兩種晶體模式.組合這兩種模式使得得到的拍頻是溫度的單調(和近似線性)函數.晶體因此感知其自身的溫度.為了減少f與T的變化,MCXO使用數字補償技術:在一個實現中刪除脈沖,在另一個實現中直接數字合成補償頻率.晶體的頻率不是"拉",這允許使用高穩定性(小C1)SC切割晶體單元.對于-55°C至+85°C的溫度范圍,典型的MCXO可具有±2X10-8的f對T穩定性.
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