壓控晶振基本簡介

隨著電子技術(shù)日新月異的發(fā)展, 石英晶體振蕩器在各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛 ,它不僅大量地應(yīng)用于通訊、導(dǎo)航、雷達(dá)、宇航以及頻標(biāo)時標(biāo)信號源的整機(jī)和設(shè)備中, 近年來還被廣泛地應(yīng)用于民用消費(fèi)類產(chǎn)品,如石英鐘、電子手表及彩色電視等。壓控晶體振蕩器是石英晶體振蕩器的一種, 主要用于調(diào)頻及鎖相技術(shù) 。具有傳輸性能好、抗干擾性強(qiáng) 、節(jié)省功率等優(yōu)點(diǎn) , 因此, 許多地面移動通訊設(shè)備、機(jī)載通訊設(shè)備都采用調(diào)頻制,壓控晶體振蕩器就是其中一個重要部件 ?。

晶體振蕩器作為一種高穩(wěn)定頻率源被廣泛應(yīng)用在各種儀器設(shè)備中。其中，壓控晶體振蕩器由于具有頻率可調(diào)的特點(diǎn)，成為各種接收機(jī)和應(yīng)答機(jī)中不可或缺的關(guān)鍵部件。在這些設(shè)備中，為了補(bǔ)償晶振長期老化、 收發(fā)信號間多普勒頻移等因素的影響，通常要求壓控晶振具有較寬的壓控范圍; 并且，為了適應(yīng)野外、 空間等工作環(huán)境，還要求在寬溫范圍內(nèi)具有良好的頻率溫度穩(wěn)定性 。

壓控晶振的頻率溫度穩(wěn)定性由石英諧振器和振蕩電路兩方面的溫度特性引起，通常以石英諧振器的溫度特性為主。對于高頻寬壓控晶振，經(jīng)常會出現(xiàn)晶振的溫頻特性相對于石英諧振器的溫頻特性出現(xiàn)明顯偏移和惡化的情況。如果將該晶振用于應(yīng)答機(jī)中，將會減小應(yīng)答機(jī)在寬溫下的信號搜索范圍，降低使用性能 。

壓控電壓變大時 ,振蕩頻率變高 ,壓控電壓變小時, 振蕩頻率變低 , 這種關(guān)系稱為正斜率 。這種電壓控制回路在實(shí)際應(yīng)用比較常見 ,另外還有一些在實(shí)際應(yīng)用中比較少見的電壓控制回路 ,下面簡要介紹 2 種 ?。

具有負(fù)斜率特性的壓控回路

實(shí)際應(yīng)用中有時需要一種負(fù)斜率的壓控特性,即壓控電壓變大, 振蕩頻率變低 , 壓控電壓變小, 振蕩頻率變高 。加在變?nèi)荻O管兩端的反向偏壓 VR ≈ V0 -VC ,當(dāng) VC 增大時 VR減小,變?nèi)荻O管的結(jié)電容變大,振蕩頻率降低; 反之,VC 減小時 VR 增大,變?nèi)荻O管的結(jié)電容變小,振蕩頻率升高 。

有提升電壓的壓控回路

有時壓控晶振指標(biāo)給出的壓控電壓范圍很窄,需要的壓控頻偏范圍卻很寬 ,而且對稱性的要求也很嚴(yán)格 ,這時由于給出的中心電壓很低,不容易滿足上述指標(biāo),利用電路手段提高中心電壓 .

晶振的溫頻特性由石英諧振器的溫頻特性和振蕩電路的溫頻特性兩部分組成。其中，石英諧振器是晶振中的關(guān)鍵元器件，對于一定的切型和切角，具有相應(yīng)的頻率溫度特性 。

通常情況下，晶振電路中各種元器件溫頻特性的影響較小。因此，晶振的溫頻特性與其內(nèi)部石英諧振器的溫頻特性較為接近。但當(dāng)晶振壓控范圍過寬時，振蕩電路中各元器件溫頻特性的影響加大。而且，為了保證諧振回路的正常工作，通常會使用較大的激勵功率，結(jié)果導(dǎo)致晶振的溫度特性變差。對于高頻壓控晶振，這種現(xiàn)象更為突出。雖然，通過溫補(bǔ)或恒溫等措施可以改善壓控晶振的溫頻特性，但是會顯著增加電路的復(fù)雜度和功耗。因此，為了改善高頻壓控晶振的溫頻特性，需要采取更加簡便有.

合適的壓控范圍

壓控晶振的頻率展寬是以犧牲諧振回路的品質(zhì)因數(shù)為代價的。當(dāng)壓控晶振的壓控范圍較大時，在不同壓控范圍下，振蕩電路中元器件對晶振溫頻特性的影響明顯不同。壓控晶振溫頻曲線的高低溫翻轉(zhuǎn)點(diǎn)相對于石英諧振器發(fā)生了的變化。并且，不同壓控范圍下，晶振和振蕩電路的溫頻特性有明顯差異。減小振蕩電路的壓控范圍可以改善晶振的溫頻特性。所以，在壓控范圍滿足應(yīng)用要求的情況下，應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)頻率展寬網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，不要過分展寬，以免引起晶振溫頻特性的急劇惡化 。

合理的激勵功率AT 切石英諧振器具有較明顯的幅頻效應(yīng)，其激勵電流與振蕩頻率之間存在如下關(guān)系Δf/f0 = Di2 q ( 8)

式中: Δf/f0 ---振蕩頻率的相對變化; D---電流常數(shù); iq---石英諧振器的激勵電流 。

如果石英諧振器的激勵過大，會導(dǎo)致晶振頻率穩(wěn)定度下降。實(shí)際上，石英諧振器的頻率溫度曲線并不是理想的三次曲線，經(jīng)常會存在一些跳點(diǎn)。當(dāng)激勵偏大時，這些跳點(diǎn)的幅度就會變大，位置也可能發(fā)生變化，使晶體的溫頻曲線發(fā)生明顯變形。并且，振蕩電路的激勵過大，也會使電路中其它元件的影響加大，從而進(jìn)一步惡化晶振的頻率溫度穩(wěn)定性 。

石英諧振器的激勵為 100μW 時，晶振頻率溫度穩(wěn)定性為 ± 19. 43 × 10 - 6，激勵為 500μW時晶振的頻率溫度穩(wěn)定性為 ± 32. 17 × 10 - 6。激勵為 500μW 時，晶振的高低溫翻轉(zhuǎn)點(diǎn)分別為 70℃ 和- 40℃ ，而激勵為 100μW 時，晶振的高低溫翻轉(zhuǎn)點(diǎn)分別為 60℃ 和 - 30℃?？梢?，減小激勵可有效提高晶振的頻率溫度穩(wěn)定性。因此，在設(shè)計高頻寬壓控晶振時，應(yīng)盡量減小振蕩電路對石英諧振器的激勵，避免由于激勵過大而引起的晶振頻率穩(wěn)定度下降問題 .