克拉普振蕩器應用

振蕩器主要分為RC，LC振蕩器和晶體振蕩器

1.RC振蕩器采用RC網(wǎng)絡(luò)作為選頻移相網(wǎng)絡(luò)的振蕩器統(tǒng)稱為RC正弦振蕩器，屬音頻振蕩器。

2.LC振蕩器采用LC振蕩回路作為移相和選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋振蕩器稱為LC振蕩器。

LC振蕩器的分類:

①變壓器耦合 ·單管LC正弦振蕩器 ·差分對管LC正弦振蕩器

②三點式 ·電容三點式(考畢茲)振蕩器 ·電感三點式(哈特萊)振蕩器

③改進三點式 ·克拉潑振蕩器 ·西勒振蕩器

④差分對管振蕩器

3.晶體振蕩器

振蕩器的振蕩頻率受石英晶體控制的振蕩器。

特性:

1.物理、化學性能非常穩(wěn)定。

2.具有正壓電效應和逆壓電效應, 石英晶體諧振頻率ωs

△當ω=ωs時，壓電效應最強,稱ωs為基頻

△當ω=nωs時，壓電效應也較強，稱之為泛音頻率

溫度系數(shù)振蕩器

1.溫度系數(shù)振蕩器是指一種振蕩器，它的振蕩頻率與溫度之間有一個特定的關(guān)系，即不同的溫度對應不同的振蕩頻率。反之，測量出振蕩器的輸出頻率，就可測量出溫度值。

2.高溫度系數(shù)振蕩器:它的振蕩頻率受溫度的影響很大，溫度稍有變化，頻率就會變化很多，即對溫度敏感，多用于溫度傳感器。

3.低溫度系數(shù)振蕩器:它的振蕩頻率受溫度的影響很小，即使溫度變化很大，它的頻率也基本不變。石英晶體振蕩器

石英晶體振蕩器分非溫度補償式晶體振蕩器、溫度補償晶體振蕩器(TCXO)、電壓控制晶體振蕩器(VCXO)、恒溫控制式晶體振蕩器(OCXO)和數(shù)字化/μp補償式晶體振蕩器(DCXO/MCXO)等幾種類型。其中，無溫度補償式晶體振蕩器是最簡單的一種，在日本工業(yè)標準(JIS)中，稱其為標準封裝晶體振蕩器(SPXO)?，F(xiàn)以SPXO為例，簡要介紹一下石英晶體振蕩器的結(jié)構(gòu)與工作原理。

石英晶體，有天然的也有人造的，是一種重要的壓電晶體材料。石英晶體本身并非振蕩器，它只有借助于有源激勵和無源電抗網(wǎng)絡(luò)方可產(chǎn)生振蕩。SPXO主要是由品質(zhì)因數(shù)(Q)很高的晶體諧振器(即晶體振子)與反饋式振蕩電路組成的。石英晶體振子是振蕩器中的重要元件，晶體的頻率(基頻或n次諧波頻率)及其溫度特性在很大程度上取決于其切割取向。石英晶體諧振器的基本結(jié)構(gòu)、(金屬殼)封裝及其等效電路如圖1所示。

只要在晶體振子板極上施加交變電壓，就會使晶片產(chǎn)生機械變形振動，此現(xiàn)象即所謂逆壓電效應。當外加電壓頻率等于晶體諧振器的固有頻率時，就會發(fā)生壓電諧振，從而導致機械變形的振幅突然增大。與金屬板之間的靜電電容;L、C為壓電諧振的等效參量;R為振動磨擦損耗的等效電阻。石英晶體諧振器存在一個串聯(lián)諧振頻率fos(1/2π)，同時也存在一個并聯(lián)諧振頻率fop(1/2π)。由于Co?C，fop與fos之間之差值很小，并且R?ωOL，R?1/ωOC，所以諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q非常高(可達數(shù)百萬)，從而使石英晶體諧振器組成的振蕩器頻率穩(wěn)定度十分高，可達10-12/日。石英晶體振蕩器的振蕩頻率既可近似工作于fos處，也可工作在fop附近，因此石英晶體振蕩器可分串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種。用石英晶體諧振器及其等效電路，取代LC振蕩器中構(gòu)成諧振回路的電感(L)和電容(C)元件，則很容易理解晶體振蕩器的工作原理。

SPXO的總精度(包括起始精度和隨溫度、電壓及負載產(chǎn)生的變化)可以達到±25ppm。SPXO既無溫度補償也無溫度控制措施，其頻率溫度特性幾乎完全由石英晶體振子的頻率溫度特性所決定。在0~70℃范圍內(nèi)，SPXO的頻率穩(wěn)定度通常為20~1000ppm，SPXO可以用作鐘頻振蕩器。

溫度補償晶體振蕩器(TCXO)

TCXO是通過附加的溫度補償電路使由周圍溫度變化產(chǎn)生的振蕩頻率變化量削減的一種石英晶體振蕩器。

1TCXO的溫度補償方式在TCXO中，對石英晶體振子頻率溫度漂移的補償方法主要有直接補償和間接補償兩種類型:

(1)直接補償型

直接補償型TCXO是由熱敏電阻和阻容元件組成的溫度補償電路，在振蕩器中與石英晶體振子串聯(lián)而成的。在溫度變化時，熱敏電阻的阻值和晶體等效串聯(lián)電容容值相應變化，從而抵消或削減振蕩頻率的溫度漂移。該補償方式電路簡單，成本較低，節(jié)省印制電路板(PCB)尺寸和空間，適用于小型和低壓小電流場合。但當要求晶體振蕩器精度小于±1pmm時，直接補償方式并不適宜。 (2)間接補償型間接補償型又分模擬式和數(shù)字式兩種類型。模擬式間接溫度補償是利用熱敏電阻等溫度傳感元件組成溫度-電壓變換電路，并將該電壓施加到一支與晶體振子相串接的變?nèi)荻O管上，通過晶體振子串聯(lián)電容量的變化，對晶體振子的非線性頻率漂移進行補償。該補償方式能實現(xiàn)±0.5ppm的高精度，但在3V以下的低電壓情況下受到限制。數(shù)字化間接溫度補償是在模擬式補償電路中的溫度-電壓變換電路之后再加一級模/數(shù)(A/D)變換器，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。該法可實現(xiàn)自動溫度補償，使晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度非常高，但具體的補償電路比較復雜，成本也較高，只適用于基地站和廣播電臺等要求高精度化的情況。

2.TCXO發(fā)展現(xiàn)狀

TCXO在近十幾年中得到長足發(fā)展，其中在精密TCXO的研究開發(fā)與生產(chǎn)方面，日本居領(lǐng)先和主宰地位。在70年代末汽車電話用TCXO的體積達20?以上，的主流產(chǎn)品降至0.4?，超小型化的TCXO器件體積僅為0.27?。在30年中，TCXO的體積縮小了50余倍乃至100倍。日本京陶瓷公司采用回流焊接方法生產(chǎn)的表面貼裝TCXO厚度由4mm降至2mm，在振蕩啟動4ms后即可達到額定振蕩幅度的90%。金石(KSS)集團生產(chǎn)的TCXO頻率范圍為2~80MHz，溫度從-10℃到60℃變化時的穩(wěn)定度為±1ppm或±2ppm;數(shù)字式TCXO的頻率覆蓋范圍為0.2~90MHz，頻率穩(wěn)定度為±0.1ppm(-30℃~+85℃)。日本東澤通信機生產(chǎn)的TCO-935/937型片式直接溫補型TCXO，頻率溫度特性(點頻15.36MHz)為±1ppm/-20~+70℃，在5V±5%的電源電壓下的頻率電壓特性為±0.3ppm，輸出正弦波波形(幅值為1VPP)，電流損耗不足2mA，重量僅為1g。PiezoTechnology生產(chǎn)的X3080型TCXO采用表面貼裝和穿孔兩種封裝，正弦波或邏輯輸出，在-55℃~85℃范圍內(nèi)能達到±0.25~±1ppm的精度。國內(nèi)的產(chǎn)品水平也較高，如北京瑞華欣科技開發(fā)有限公司推出的TCXO(32~40MHz)在室溫下精度優(yōu)于±1ppm，第一年的頻率老化率為±1ppm，頻率(機械)微調(diào)≥±3ppm，電源功耗≤120mw。高穩(wěn)定度的TCXO器件，精度可達±0.05ppm。

高精度、低功耗和小型化，仍然是TCXO的研究課題。在小型化與片式化方面，面臨不少困難，其中主要的有兩點:一是小型化會使石英晶體振子的頻率可變幅度變小，溫度補償更加困難;二是片式封裝后在其回流焊接作業(yè)中，由于焊接溫度遠高于TCXO的最大允許溫度，會使晶體振子的頻率發(fā)生變化，若不采限局部散熱降溫措施，難以將TCXO的頻率變化量控制在±0.5×10-6以下。但是，TCXO的技術(shù)水平的提高并沒進入到極限，創(chuàng)新的內(nèi)容和潛力仍較大。

3.TCXO的應用

TCXO作為基準振蕩器為發(fā)送信道提供頻率基準，同時作為接收通道的第一級本機振蕩器;另一只TCXO作為第2級本機振蕩器，將其振蕩信號輸入到第2變頻器。移動電話要求的頻率穩(wěn)定度為0.1~2.5ppm(-30~+75℃)，但出于成本上的考慮，通常選用的規(guī)格為1.5~2.5ppm。移動電話用12~20MHz的TCXO代表性產(chǎn)品之一是VC-TCXO-201C1，采用直接補償方式，外觀如圖2(b)所示，由日本金石(KSS)公司生產(chǎn)。

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