石英晶体振荡器设计参考.doc

石英晶体振荡器设计参考振荡器是一种将直流电能转换为具有一定频率的交流电能的装置，而将石英晶体谐振器（以下简称晶体）作为频率控制元件的振荡器就叫做石英晶体振荡器（以下简称晶振）。由于晶体的机械品质因数（Q值）可达到105106数量级，其相移随频率的变化/很大，故晶振有很高的频率稳定度，约在10-410-12的范围。目前晶振被广泛应用到军、民用通信电台、微波通信设备、程控电话交换机、无线电综合测试仪、移动电话发射台、高档频率计数器、GPS、卫星通信、遥控移动设备等。目前晶振有以下八类：普通晶体振荡器（XO）、压控晶体振荡器（VCXO）、温度补偿晶体振荡器（TCXO）、恒温晶体振荡器（OCXO）、温补压控晶体振荡器（TCVCXO）、恒温压控晶体振荡器（OCVCXO）、微机补偿晶体振荡器（MCXO）和铷-晶体振荡器。其中，温度补偿晶体振荡器包括模拟温补、数字温补、模拟-数字混合温补和单片机温补的晶体振荡器。 以下根据晶振的分类和应用，对晶振设计时需考虑的问题做一下简单介绍。1. 晶体的选用（1）切型的选取晶体的切型有AT、BT、CT、DT、ET、FT、ST、x+5、AC、BC、FC、LC、SC等，每种切型都有各自的特性，而目前在晶振中应用最多的切型是AT切和 SC切。由于AT切石英片的尺寸合适，便于加工，体积可以做的很小，在较宽的温度范围内具有良好的频率温度特性（在-5585范围内可达到2510-6），并有较高的压电活性等优点，从而得到最广泛的应用。它是石英谐振器中最重要的一种切型，频率范围约为800kHz350MHz，采用离子刻蚀技术，其基音频率可达到1GHz左右。目前的温度补偿晶体振荡器基本都是采用的AT切型晶体。SC切晶体是一种双旋转切型晶体。由于它具有应力补偿和热瞬变补偿特性，故其频率与热应力及电极应力在表面内所产生的应力无关。因此，这种切型具有老化小、相位噪声低、短期频率稳定性好、热滞效应小及开机特性好等优点，特别适用于高稳定晶体振荡器。其老化率可达到10-12/d，短期频率稳定度可达到10-13/s。但是它具有A、B、C三种振动模式，而且不希望有的B模（工作在C模式上）总是伴随C模一起出现，因此在设计电路时要考虑B模的抑制。SC切晶体的零温度系数点（Z.T.C.）一般在80100，在Z.T.C.点附近的温频特性很好，所以这也是它广泛应用到恒温晶体振荡器中的原因之一。（2）激励电平的选定晶体的激励电平是晶体工作时所消耗功率的表征值。激励电平可选值有：2mW、1mW、0.5mW 、0.2mW、0.1mW、50W、20W、10W、1W、0.1W等。一般来讲，AT切晶体激励电平的增大，其频率变化是正的，激励电平过高会引起非线性效应，导致可能出现寄生振荡、严重热频漂、过应力频漂及电阻突变，当激励电平过低时则会造成起振阻力不易克服、工作不良及指标的不稳定，我们通常选择0.1mW。SC切晶体的幅频效应比AT切的低的多，因此其工作电流可比AT切晶体所允许的电流大。（3）Q值的要求晶体的机械品质因数Q值可用下式计算：Q=2fsL1/R1=1/2fsC1R1晶体的Q值对晶振相位噪声的影响是相当大的，所以在设计低噪声晶振的时候一定要考虑晶体的Q值。晶体的Q值和频率有如下关系：fQ=1.51013（4）寄生频率的控制在网络分析仪观测晶体谐振器的频率阻抗特性，可以很清楚的看到它的寄生情况，所谓寄生就是我们不期望的耦合振动频率，如果寄生过高，而晶振的电路又设计在临界状态，那么就很容易使寄生频率淹没主振频率。我们一般要求晶体的寄生要比主振频率低7dB。（5）泛音的选取根据不同的应用和不同的频段，合理选择晶体的泛音模式。振动模式与频率关系：基频 135MHz3次泛音 1075MHz5次泛音 50150MHz7次泛音 100200MHz9次泛音 150250MHz2. 振荡电路的选取晶体振荡器电路分为并联晶体振荡电路和串联晶体振荡电路。我们经常应用的是并联晶体振荡电路，晶体工作在串联谐振频率和并联谐振频率之间，即呈现电感性。它具有简单实用、稳定可靠、调整方便的优点。在串联晶体振荡电路中晶体工作在串联谐振频率上，晶体具有稳频和滤波的作用，另外有些串联晶体振荡电路对晶体的Q值有倍增的作用，因此常应用于高稳晶振中。3. 晶振种类的选定根据不同的应用可灵活选择晶振种类，再根据种类给出不同的设计方案。各种晶振主要性能对照表主要性能 PXO VCXO TCXO OCXO 频率范围/MHz 0.13 分频 分频 分频 分频 335 基频 基频 基频 基频、泛音 30200 泛音 泛音高基频 泛音、倍频 泛音、倍频 150300 泛音 锁相、高基频锁相 3002500倍频或锁相锁相锁相 频率温度稳定度 110-5 110-5 110-5110-7 110-7110-11在TCXO中，模拟补偿的频率温度稳定度一般为110-5110-6，数字补偿一般为110-6110-7。4. 电源和负载的影响晶体振荡器的频率稳定性会受到振荡器电源电压变动以及振荡器负载变动的影响。正确选择振荡器可将这些影响减到最少。设计者应在建议的电源电压容差和负载下检验振荡器的性能，不能期望只能额定驱动15pF的振荡器在驱动50pF时会有好的表现，在超过建议的电源电压下工作的振荡器