中心議題：

• 晶體振蕩器應用分析

解決方案：

• 頻率穩定度要求
• 電壓調諧與頻率變化的關係
• 控製電壓端口的輸入阻抗和調製帶寬
• 絕對牽引範圍與標稱振蕩頻率偏移的關係

壓控晶體振蕩器（VCXO）是通過紅外加控製電壓使振蕩效率可變或是可以調製的石英晶體振蕩器。VCXO主要由石英諧振器、變容二極管和振蕩電路組成，其工作原理是通過控製電壓來改變變容二極管的電容
，從而“牽引”石英諧振器的頻率，以達到頻率調製的目的。VCXO大多用於鎖相技術、頻率負反饋調製的目的。VCXO大多用於鎖相技術、頻率負反饋係統及頻率調製，已是通信機、移動電話、尋呼機
、全球定位係統（GPS）等眾多電子應用係統必不可少的關鍵部件。
　　
VCXO允許頻率控製的範圍比較寬，牽引度一般為（±35～±50）×10－6，實際可達±200×10－6。
　　
隨著現代無線通信係統向高頻、寬帶、便攜式方向發展，要求VCXO具有高頻、高性能
、頻率範圍寬
、線性度好、頻率穩定度優、頻率牽引誤差小
、噪聲低和封裝尺寸小等特性。世界上各先進國家競相開發與生產高水平的產品來滿足日益增長的市場需求。表1為美國十大著名VCXO廠商生產的VCXO品種、性能和價格1。
　　
VCXO技(ji)術(shu)規(gui)範(fan)中(zhong)列(lie)有(you)多(duo)項(xiang)性(xing)能(neng)參(can)數(shu)。這(zhe)些(xie)參(can)數(shu)往(wang)往(wang)是(shi)相(xiang)互(hu)關(guan)聯(lian)的(de)。我(wo)們(men)不(bu)能(neng)一(yi)味(wei)追(zhui)求(qiu)某(mou)些(xie)參(can)數(shu)的(de)高(gao)指(zhi)標(biao)而(er)忽(hu)視(shi)由(you)此(ci)引(yin)起(qi)的(de)其(qi)它(ta)參(can)數(shu)的(de)劣(lie)化(hua)。例(li)如(ru)，VCXO允許的頻率控製範圍就是有限製的。一般來說，如果要求VCXO有較大的牽引度，則它在工作溫度範圍內的頻率穩定度就較差。反之，如果對頻率穩定度要求高，就很難得到較大的牽引度（>±200×10－6）。因此
，正確了解VCXO的技術規範和使用要求
，對於在設計上用好這種器件是很關鍵的。下麵我們將介紹VCXO電參數的特點和選用時應注意的問題。
　　
VCXO的確定
　　
首先
，要弄清楚具體應用場合是需要VCXO，還是一般的振蕩器。當設計人員希望通過外加控製電壓來對振蕩器的頻率作小範圍的調諧時，就應選用VCXO器件。我們把這種振蕩器調諧稱為牽引度（pullability）。牽引度用10－6數量級表示。VCXO牽引度的典型值為±50×10－6～±200×10－6
，要得到這種範圍的牽引度
，VCXO產品一般采用標準圓形石英晶體。為了滿足牽引度範圍大的要求，設計上須用大尺寸晶體（直接0.25英寸～0.35英寸）。此外，如果要得到大範圍的牽引度，VCXO產品的晶體應是基模晶體。
　
頻率穩定度要求
　　
VCXO用石英晶體作頻率控製元件
，其振蕩頻率在工作溫度內是穩定的。當我們對VCXO進行調諧時
，振蕩頻率會發生改變；但(dan)偏(pian)離(li)標(biao)稱(cheng)頻(pin)率(lv)的(de)各(ge)個(ge)頻(pin)率(lv)值(zhi)在(zai)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)內(nei)同(tong)樣(yang)是(shi)穩(wen)定(ding)的(de)。必(bi)須(xu)注(zhu)意(yi)，對(dui)於(yu)一(yi)個(ge)給(gei)定(ding)的(de)頻(pin)率(lv)而(er)言(yan)，頻(pin)率(lv)穩(wen)定(ding)度(du)要(yao)求(qiu)越(yue)高(gao)，要(yao)得(de)到(dao)大(da)範(fan)圍(wei)的(de)牽(qian)引(yin)度(du)就(jiu)越(yue)困(kun)難(nan)。采(cai)用(yong)矽(gui)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)
，不(bu)能(neng)獲(huo)得(de)良(liang)好(hao)的(de)頻(pin)率(lv)穩(wen)定(ding)度(du)。這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)矽(gui)存(cun)在(zai)顫(chan)動(dong)噪(zao)聲(sheng)和(he)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)所(suo)致(zhi)。VCXO采用了石英晶體，頻率異常穩定


，是目前最好的頻率控製器件。

表1美國VCXO性能

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電壓調諧與頻率變化的關係
　　
VCXO的頻率偏移值同加在其調諧電路上的控製電壓的大小有關。VCXO標稱頻率對應的調諧電壓規定為VCC（電源電壓）的一半。VCC為5V的VCXO，控製電壓為2.5V時就產生中心頻率。控製電壓為（0.5～4.5）V的VCXO，其頻率變化曲線的斜率為正。也就是說，當控製電壓從2.5V上升為4.5V時，振蕩器的頻率將增大；當控製電壓從2.5V降為0.5V時，振蕩器的頻率將減小。振蕩器的頻率隨控製電壓變化的特性，往往用調諧靈敏度這一物理量來描述。調諧靈敏度用單位10－6/V表示。如果VCXO的牽引度為±100×10－6

，控製電壓範圍為（0.5～4.5）V，則其調諧靈敏度等於50×10－6/V。要(yao)求(qiu)控(kong)製(zhi)電(dian)壓(ya)沒(mei)有(you)噪(zao)聲(sheng)或(huo)其(qi)它(ta)可(ke)能(neng)引(yin)起(qi)振(zhen)蕩(dang)器(qi)頻(pin)率(lv)和(he)輸(shu)出(chu)波(bo)形(xing)特(te)性(xing)發(fa)生(sheng)突(tu)變(bian)的(de)瞬(shun)態(tai)過(guo)程(cheng)，這(zhe)一(yi)點(dian)很(hen)重(zhong)要(yao)。為(wei)把(ba)噪(zao)聲(sheng)減(jian)至(zhi)最(zui)小(xiao)，經(jing)常(chang)采(cai)取(qu)的(de)措(cuo)施(shi)是(shi)在(zai)電(dian)路(lu)板(ban)上(shang)把(ba)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)與(yu)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)分(fen)別(bie)接(jie)地(di)。
　　
相位噪聲和調製
　　
一切振蕩器都有一些振幅調製噪聲和相位調製噪聲。VCXO的相位噪聲要受振蕩器電路結構和石英晶體的影響。VCXO電dian源yuan的de瞬shun態tai過guo程cheng或huo波bo紋wen產chan生sheng的de調tiao製zhi還hai會hui使shi它ta的de相xiang位wei噪zao聲sheng性xing能neng惡e化hua。相xiang位wei噪zao聲sheng的de均jun方fang根gen值zhi是shi由you相xiang位wei噪zao聲sheng頻pin譜pu在zai給gei定ding帶dai寬kuan內nei求qiu積ji分fen而er推tui算suan出chu來lai的de。相xiang位wei噪zao聲sheng是shi根gen據ju頻pin率lv相xiang對dui於yu中zhong心xin頻pin率lv的de偏pian移yi量liang來lai界jie定ding的de，用yong單dan位weidBc/Hz表示。鎖相環電路使用的大多數VCXO器件必須具有良好的相位噪聲特性。如果應用上對相應噪聲有嚴格要求
，選用VCXO時就一定要規定相位噪聲允許的範圍。
　　
線性度
　　
VCXO振蕩頻率隨控製電壓變化的函數關係是非線性的。設計優良的VCXO，其頻率與控製電壓的函數曲線接近直線，偏離直線的範圍控製在±10％以內。一般來說，VCXO的牽引度越大，它的線性度就越差。大多數VCXO的頻率與控製電壓的函數曲線都具有正斜率而且是單調的。因此，當控製電壓增加時，牽引度就變大。

控製電壓端口的輸入阻抗和調製帶寬
　　
當以10kHz速率進行調製時
，VCXO控製電壓端口的輸入阻抗通常在50kΩ以上。生產廠商受到空間窄小的約束，不能在VCXO輸入端口采取充分的濾波措施來改進它的調製帶寬和噪聲性能。VCXO典型的調製帶寬為直流至20kHz。調製頻率超過20kHz，VCXO輸出信號中可能會出現寄生響應。在某些場合，可以采取措施使輸入阻抗和調製帶寬滿足特殊需要。
　　
絕對牽引範圍與標稱振蕩頻率偏移的關係
　　
在工業上
，定義VCXO牽引度的方法有兩種。一種方法叫做絕對牽引範圍（APR）。這種方法定義的牽引度考慮了VCXO各相關因素產生的所有頻率變化，因而給出的是總的牽引範圍。簡言之
，APR定義的牽引度等於VCXO相對於標稱振蕩頻率的頻移同穩定性、電壓變化、負載變化和老化特性等因素引起的頻率變化之和。例如

，一個APR為±100×10－6的VCXO，它所追蹤的源信號在各種規定的工作條件下具有的最大頻率偏移將為±100×10－6。

定義VCXO牽引度的第二種方法僅僅考慮相對於標稱振蕩頻率的頻率偏移。這種方法就沒有考慮總體穩定性或老化特性的影響。
　　
頻率與價格的關係
　
VCXO采用基模晶體來獲得要求的牽引度值。對於30MHz以下頻率，VCXO運用標準圓形晶體設計。頻率超過30MHz後
，標準基模晶體就很難製造。隨著頻率的增加，晶體變得越來越薄，製造過程中的操作也更加困難。在30MHz以(yi)上(shang)的(de)頻(pin)率(lv)基(ji)模(mo)工(gong)作(zuo)就(jiu)需(xu)采(cai)用(yong)反(fan)向(xiang)台(tai)麵(mian)晶(jing)體(ti)。反(fan)向(xiang)台(tai)麵(mian)晶(jing)體(ti)製(zhi)造(zao)技(ji)術(shu)是(shi)一(yi)種(zhong)較(jiao)新(xin)的(de)技(ji)術(shu)，比(bi)傳(chuan)統(tong)的(de)標(biao)準(zhun)晶(jing)體(ti)加(jia)工(gong)技(ji)術(shu)複(fu)雜(za)。因(yin)此(ci)
，高(gao)頻(pin)率(lv)產(chan)品(pin)的(de)加(jia)工(gong)往(wang)往(wang)損(sun)耗(hao)也(ye)較(jiao)大(da)。一(yi)般(ban)來(lai)說(shuo)，采(cai)用(yong)反(fan)向(xiang)台(tai)麵(mian)晶(jing)體(ti)的(de)高(gao)頻(pin)VCXO產品比使用標準圓形晶體的低頻VCXO產品價格貴。30MHz以上的VCXO產品價格較高也就不難理解了。
　　
工作電壓與工作電流
　　
VCXO的電源電壓及其允許的誤差範圍，常常同器件的額定電流或最大電流一起同時加以規定。隨著電源電壓的降低（例如3.3V），控製電壓值也將減小。借助這種較低的控製電壓很難獲得大範圍的牽引度。如果VCXO是用小晶體封裝在小型表麵組裝外殼內製成的話，情況更是如此。
　　
輸出要求
　　
VCXO可提供適合TTL、ECL
、CMOS等集成電路要求的多種輸出。設計人員要弄清楚設計的實際要求

，隻有這樣，才能為特定的應用選擇正確的輸出類型。
　　
波形要求
　　
VCXO還對對稱性、邏輯電平、上升時間、下降時間等波形參數作了規定。現有VCXO產品可滿足TTL、ECL、CMOS等集成電路的波形參數要求。對上升時間、下降時間和對稱性要求十分嚴格時，要特別注意負載的大小和基準電平的高低，以免對廠商給出的參數值造成誤解。