石英晶體原理
引言
盡管石英晶體振蕩器的應用已有幾十年的曆史，但因其具有頻率穩定度高這一特點，故在電子技術領域中一直占有重要的地位。尤其是信息技術（IT）産業的高速發展，更使這種晶體振蕩器煥發出勃勃生機。小型化、片式化、低噪聲化、頻率高精度化與高穩定度及高頻化，是移動電話和天線尋呼機為代表的便攜式産品對石英晶體振蕩器提出的要求。事實上石英晶體振蕩器在發展過程中，也面臨像頻率發生器這類電路的潛在威脅和挑戰。此類振蕩器隻有在技術上不斷創新，才能延長其壽命周期，在競争中占有優勢。
振蕩模式
石英晶體提供了兩種共振模式，由C1與L1構成的串聯共振，與由C0、C1與L1構成的并聯共振。
對于一般的MHz級石英晶體而言，串聯共振頻率一般會比并聯共振頻率低若幹KHz。頻率在30MHz以下的石英晶體，通常工作時的頻率處于串聯共振頻率與并聯共振頻率之間，此時石英晶體呈現電感性阻抗。因為，外部電路上的電容會把電路的振蕩頻率拉低一些。在設計石英晶體振蕩電路時，也應令電路上的雜散電容與外加電容合計値與晶體廠商使用的負載電容值相同，振蕩頻率才會準确符合廠商的規格。
頻率在30MHz以上（到200MHz）的石英晶體，通常工作于串聯共振模式，工作時的阻抗處于最低點，相當于Rs。此種晶體通常标示串聯電阻（<100Ω）而非并聯負載電容。為了達到高的振蕩頻率，石英晶體會振蕩在它的一個諧波頻率上，此諧波頻率是基頻的整數倍。隻使用奇數次諧波，例如3倍、5倍、與7倍的泛音晶體。要達到所要的振蕩頻率，振蕩電路上會加入額外的電容器與電感器，以選擇出所需的頻率。
工作原理
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，在日本工業标準(JIS)中，稱其為标準封裝晶體振蕩器（SPXO）。現以SPXO為例，簡要介紹一下石英晶體振蕩器的結構與工作原理。
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，它隻有借
助于有源激勵和無源電抗網絡方可産生振蕩。SPXO主要是由品質因數（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構、（金屬殼）封裝及其等效電路如圖1所示。
隻要在晶體振子闆極上施加交變電壓，就會使晶片産生機械變形振動，此現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，就會發生壓電諧振，從而導緻機械變形的振幅突然增大。在圖1（c）所示的晶體諧振器的等效電路中，Co為晶片
(a)石英晶體振于的結構
（b）金屬殼封裝示圖（c）等效電路
與金屬闆之間的靜電電容；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諧振頻率fos（1/2π），同時也存在一個并聯諧振頻率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因數Q非常高（可達數百萬），從而使石英晶體諧振器組成的振蕩器頻率穩定度十分高，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型和并聯型兩種。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（包括起始精度和随溫度、電壓及負載産生的變化）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℃範圍内，SPXO的頻率穩定度通常為20-1000ppm，SPXO可以用作鐘頻振蕩器。
溫度補償晶體振蕩器
TCXO是通過附加的溫度補償電路使由周圍溫度變化産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
CXO，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而成的。在溫度變化時，熱敏電阻的阻值和晶體等效串聯電容容值相應變化，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，節省印制電路闆（PCB）尺寸和空間，适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，直接補償方式并不适宜。
（2）間接補償型
間接補償型又分模拟式和數字式兩種類型。模拟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，并将該電壓施加到一支與晶體振子相串接的變容二極管上，通過晶體振子串聯電容量的變化，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±0.5ppm的高精度，但在3V以下的低電壓情況下受到限制。數字化間接溫度補償是在模拟式補償電路中的溫度—電壓變換電路之後再加一級模/數（A/D）變換器，将模拟量轉換成數字量。該法可實現自動溫度補償，使晶體振蕩器頻率穩定度非常高，但具體的補償電路比較複雜，成本也較高，隻适用于基地站和廣播電台等要求高精度化的情況。
2.TCXO發展現狀
TCXO在近十幾年中得到長足發展，其中在精密TCXO的研究開發與生産方面，日本居領先和主宰地位。在70年代末汽車電話用TCXO的體積達20?以上，主流産品降至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餘倍乃至100倍。日本京陶瓷公司采用回流焊接方法生産的表面貼裝TCXO厚度由4mm降至2mm，在振蕩啟動4ms後即可達到額定振蕩幅度的90%。金石（KSS）集團生産的TCXO頻率範圍為2-80MHz，溫度從－10℃到60℃變化時的穩定度為±1ppm或±2ppm；數字式TCXO的頻率複蓋範圍為0.2-90MHz，頻率穩定度為±0.1ppm（－30℃-+85℃）。日本東澤通信機生産的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，體積1，重量僅為1g。PiezoTechnology生産的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℃範圍内能達到±0.25-±1ppm的精度。國内的産品水平也較高，如北京瑞華欣科技開發有限公司推出的TCXO（32-40MHz）在室溫下精度優于±1ppm，第一年的頻率老化率為±1ppm，頻率（機械）微調≥±3ppm，電源功耗≤120mw。前高穩定度的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；二是片式封裝後在其回流焊接作業中，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生變化，若不采限局部散熱降溫措施，難以将TCXO的頻率變化量控制在±0.5×10－6以下。但是，TCXO的技術水平的提高并沒進入到極限，創新的内容和潛力仍較大。
電壓控制晶體振蕩器
電壓控制晶體振蕩器（VCXO），是通過施加外部
控制電壓使振蕩頻率可變或是可以調制的石英晶體振蕩器。在典型的VCXO中，通常是通過調諧電壓改變變容二極管的電容量來“牽引”石英晶體振子頻率的。VCXO允許頻率控制範圍比較寬，實際的牽引度範圍約為±200ppm甚至更大。
如果要求VCXO的輸出頻率比石英晶體振子所能實現的頻率還要高，可采用倍頻方案。擴展調諧範圍的另一個方法是将晶體振蕩器的輸出信号與VCXO的輸出信号混頻。與單一的振蕩器相比，這種外差式的兩個振蕩器信号調諧範圍有明顯擴展。
在移動通信基地站中作為高精度基準信号源使用的VCXO代表性産品是日本精工·愛普生公司生産的
VG－2320SC。這種采用與IC同樣塑封的4引腳器件，内裝單獨開發的專用IC，器件尺寸為12.6mm×7.6mm×1.9mm，體積為0.19?。其标準頻率為12-20MHz，電源電壓為3.0±0.3V，工作電流不大于2mA，在－20-+75℃範圍内的頻率穩定度≤±1.5ppm，頻率可變範圍是±20-±35ppm，啟動振蕩時間小于4ms。金石集團生産的VCXO，頻率複蓋範圍為10-360MHz，頻率牽引度從±60ppm到±100ppm。VCXO封裝發展趨勢是朝SMD方向發展，并且在電源電壓方面盡可能采用3.3V。日本東洋通信機生産的TCO－947系列片式VCXO，早在90年代中期前就應用于汽車電話系統。該系列VCXO的工作頻率點是12.8MHz、13MHz、14.5MHz和15.36MHz，頻率溫度特性±2.5ppm/－30-+75℃，頻率電壓特性±0.3ppm/5V±5%，老化特性±1ppm/年，内部采用SMD/SMC，并采用激光束和汽相點焊方式封裝，高度為4mm。日本富士電氣化學公司開發的個人手持電話系統（PHS）等移動通信用VCXO，共有兩大類六個系列，為适應SMT要求，全部采用SMD封裝。Saronix的S1318型、Vectron國際公司的J型、Champion技術公司的K1526型和Fordahi公司的DFVS1－KH/LH等VCXO，均是表面貼裝器件，電源電壓為3.3V或5V，可複蓋的頻率範圍或最高頻率分别為32-120MHz、155MHz、2-40MHz和1－50MHz，牽引度從±25ppm到±150ppm不等。MF電子公司生産的T－VCXO系列産品尺寸為5mm×7mm，曾被業内認為是外形尺寸最小的産品，但這個小型化的記錄很快被打破。新推出的雙頻終端機用VCXO尺寸僅為5.8mm×4.8mm，并且有的内裝2隻VCXO。Raltron電子公司生産的VX－8000系
圖3壓控SAW振蕩器内部結構
圖4OCXO内部結構示圖
列表面貼裝VCXO，采用引線封裝時高度為0.185英寸，采用扁平封裝時僅為0.15英寸，工作頻率可在1-160MHz内選擇，标準頻率調整範圍為±100ppm，線性度優于±10%，穩定度優于±25ppm/0-70℃，老化率為±2ppm/年，輸出負載達10個LSTTL（單價達10美元以上）。
于1998年7月上市的單價2000日元的UCV4系列壓控振蕩器（VCO），面向全球移動通信系統（GSM）和個人數字蜂窩電話（PDC），可用頻率範圍為650-1700MHz，電源電壓為2.2-3.3V，尺寸僅為4.8mm×5.5mm×1.9mm，體積為0.05?，重量0.12g。
日本精工·愛普生公司利用ST切型晶片制作的聲表面波（SAW）諧振器（Q≌2000），型号為FS－555，用4.8mm×5.2mm×1.5mm陶瓷容器包封，振蕩頻率範圍達250-500MHz，頻率初始偏差為±25-100ppm，在－20-60℃範圍内的頻率穩定度是±27ppm，老化率為±10ppm/年。利用FS－555組成的壓控SAW振蕩器内部結構如圖3所示。欲擴大頻率調節範圍，可加大串聯電感Lo的電感量。由于SAW諧振器的頻率可達2GHz以上，為壓控SAW振蕩器（VCSO）的高頻化提供了一條重要途徑。
恒溫控制晶體振蕩器
CXO是利用恒溫槽使晶體振蕩器或石英晶體振子的溫度保持恒定，将由周圍溫度變化引起的振蕩器輸出頻率變化量削減到最小的晶體振蕩器，其内部結構如圖4所示。在OCXO中，有的隻将石英晶體振子置于恒溫槽中，有的是将石英晶體振子和有關重要元器件置于恒溫槽中，還有的将石英晶體振子置于内部的恒溫槽中，而将振蕩電路置于外部的恒溫槽中進行溫度補償，實行雙重恒溫槽控制法。利用比例控制的恒溫槽能把晶體的溫度穩定度提高到5000倍以上，使振蕩器頻率穩定度至少保持在1×10－9。OCXO主要用于移動通信基地站、國防、導航、頻率計數器、頻譜和網絡分析儀等設備、儀表中。
OCXO是由恒溫槽控制電路和振蕩器電路構成的。通常人們是利用熱敏電阻“電橋”構成的差動串聯放大器，來實現溫度控制的。具有自動增益控制（AGC）的（C1app）振蕩電路，獲得振蕩頻率高穩定度的比較理想的技術方案。
在近幾年中，OCXO的技術水平有了很大的提高。日本電波工業公司開發的新器件功耗僅為老産品的1/10。在克服OCXO功耗較大這一缺點方面取得了重大突破。該公司使用應力補償切割（SCCut）石英晶體振子制作的OCXO，與使用AT切形石英晶體振子的OCXO比較，具有高得多的頻率穩定度和非常低的相位噪聲。相位噪聲是指信号功率與噪聲功率的比率（C/N），是表征頻率顫抖的技術指标。在對預期信号既定補償處，以1Hz帶寬為單位來測量相位噪聲。Bliley公司用AT切形晶體制作的NV45A在補償點10Hz、100Hz、1kHz和10kHz處的相位噪聲分别為100、135、140和145dBc/Hz，而用SC切割晶體制成的同樣OCXO，則在所有補償點上的噪聲性能都優于5dBc/Hz。
金石集團生産的OCXO，頻率範圍為5-120MHz，在－10到60的溫度範圍内，頻率穩定度有±0.02、±0.03和±0.05ppm，老化指标為±0.02ppm/年和±0.05ppm/年。Oak頻率控制公司的4895型4.096-45MHz雙恒溫箱控制OCXO，溫度穩定度僅為0.002ppm（2×10－10）/0-75℃；4895型OCXO的尺寸是50.8mm×50.8mm×38.3mm，老化率為±0.03ppm/年。如果體積縮小一點，在性能指标上則會有所犧牲。Oak公司生産的10-25MHz表面貼裝OCXO，頻率穩定度為±0.05ppm/0-70℃。PiezoCrystal的275型用于全球定位系統（GPS）的OCXO采用SC切形石英晶體振子，在0-75℃範圍内總頻偏小于±0.005ppm，最大老化率為±0.005ppm/年。Vectron國際公司的CO－760型OCXO，尺寸為25.4mm見方，高12.7mm，在OCXO産品中，體積算是較小的。随着移動通信産品的迅猛增長，對OCXO的市場需求量會逐年增加。OCXO的發展方向是順應高頻化、高頻率穩定度和低相位噪聲的要求，但在尺寸上的縮小餘地非常有限。
日本金石、始建于1948年的NibonDempaKogyo公司和美國摩托羅位、韓國的Sunny－Emi等公司，都是生産石英晶體器件較大的廠商。國内生産石英晶體振蕩器等元器件的單位有原電子工業部第十研究所、北京707廠、國營第875廠和一些合資企業等。我國對人造石英晶體及其元器件的研究開發起步較早，生産能力也較大。就石英晶體振蕩器而言，與國外先進水平比較，主要是在片式化、小型化、高頻化和頻率溫度特性等方面還存在差距。盡快縮小這些差距，進一步擴大生産規模，提高産品性價比，是提高在國際市場上競争力的必由之路。與此同時，還要跟蹤該器件發展的新動向，如，視頻發生器等振蕩器的研究與應用。
