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壓控晶振
閱讀�4232�(shí)間:2017-01-16 17:34:20

    壓控晶體振蕩�石英晶體振蕩�的一�, 主要用于�(diào)頻及鎖相技�(shù) 。具有傳輸性能�、抗干擾性強(qiáng) 、節(jié)省功率等�(yōu)�(diǎn)�

�(jiǎn)�

    隨著電子技�(shù)日新月異的發(fā)�, 石英晶體振蕩器在各�(gè)�(lǐng)域的�(yīng)用越�(lái)越廣� ,它不僅大量地�(yīng)用于通訊、導(dǎo)�、雷�(dá)、宇航以及頻�(biāo)�(shí)�(biāo)信號(hào)源的整機(jī)和設(shè)備中, 近年�(lái)還被廣泛地應(yīng)用于民用消費(fèi)類產(chǎn)�,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�, 主要用于�(diào)頻及鎖相技�(shù) 。具有傳輸性能�、抗干擾性強(qiáng) 、節(jié)省功率等�(yōu)�(diǎn) , 因此, 許多地面移動(dòng)通訊�(shè)�、機(jī)載通訊�(shè)備都采用�(diào)頻制,壓控晶體振蕩器就是其中一�(gè)重要部件�

    晶體振蕩器作為一種高�(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�(diào)的特�(diǎn),成為各種接收機(jī)和應(yīng)答機(jī)中不可或缺的�(guān)鍵部件。在這些�(shè)備中,為了補(bǔ)償晶振長(zhǎng)期老化� 收發(fā)信號(hào)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�; 并且,為了適�(yīng)野外� 空間等工作環(huán)�,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�,通常以石英諧振器的溫度特性為主。對(duì)于高頻寬壓控晶振,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)晶振的溫頻特性相�(duì)于石英諧振器的溫頻特性出�(xiàn)明顯偏移和惡化的情況。如果將該晶振用于應(yīng)答機(jī)�,將�(huì)減小�(yīng)答機(jī)在寬溫下的信�(hào)搜索范圍,降低使用性能�

工作原理

    壓控晶振中常使用 AT 切石英諧振器,通過(guò)在振蕩回路中引入一�(gè)可調(diào)元件,來(lái)�(shí)�(xiàn)振蕩頻率隨壓控電壓調(diào)節(jié)的功�??烧{(diào)元件通常為變?nèi)荻O管。變?nèi)莨苁且环N電容可以隨著外加電壓而改變電容值的元件,通過(guò)改變加在�?nèi)莨苌系碾�?,使得石英諧振器的負(fù)載電容發(fā)生變�,從而諧振回路的諧振頻率隨之變化,達(dá)到壓控的目的�

    用外加電壓對(duì)晶振的頻率�(jìn)行控� ,這就是壓控晶�, 壓控頻偏和壓控線性是壓控晶振要解決的2 �(gè)主要�(wèn)�, 下面介紹的一種壓控晶� ,中心頻率� 2 . 048 MHz/2V ,壓控頻偏� 100 ppm�( 2V ±2V),頻率�(wěn)定度�5 ×10-6/ ( 0 � 70 �), 輸出波形為方�,體積�20mm×13mm ×8mm�

選擇

    晶體諧振器的選擇

    石英晶體諧振器作為壓控晶體振蕩器中的�(guān)鍵元� ,其指�(biāo)�(duì)壓控晶振的壓控頻偏有很大影響。將晶體諧振器與一�(fù)載電� CL 串聯(lián) , 并忽略諧振器的損�,則諧振器的相�(duì)頻率偏移�:ΔfLfR=Cq2/(C0+C L), ( 1)

    �( 1) �(duì) CL 求偏�(dǎo),得負(fù)載電容對(duì)頻率的牽引率�:S = CLΔf Lf R =-Cq/2( C0+CL) , (2)[1]

    由式( 2) 可知增大諧振器的�(dòng)�(tài)電容 Cq 可增大頻率牽引率 。但頻率牽引率隨泛音次數(shù)的增加急劇減小。令 Cq1為泛音諧振器的動(dòng)�(tài)電容, 則有 C q =n2×Cq1,可見(jiàn)如果晶體振蕩器想獲得大的壓控頻偏,�(yīng)采用基音諧振器。對(duì)于設(shè)�(jì)� 2 . 048 MHz 電路,如果直接使用 2 . 048 MHz 的基音晶�, 那么諧振器的尺寸就太大了, �(wú)法實(shí)�(xiàn) ,因此采用16 . 384 MHz的基音晶�, 起振后再�(jìn)行八分頻 , 滿足指標(biāo)的同�(shí),大大縮小了體�.

    �?nèi)荻O管的選擇

    �?nèi)荻O管作為壓控晶振中的關(guān)鍵元�, 其性能和使用方法對(duì)振蕩器的壓控頻偏和壓控線性影響很�。令�?nèi)荻O管的�(jié)電容� Cj ,令加在變?nèi)荻O管兩端的反向偏壓� VR ,則有

    Cj=K(VR+ ) , (3)

    �( 3)�, K 為常�(shù), 為接觸電�(shì)�, n 為變?nèi)葜笖?shù)。變?nèi)葜笖?shù) n 為變?nèi)荻O管的重要電參�(shù)之一 ,它是指在�(guī)定的反向偏壓�, 雙對(duì)�(shù)坐標(biāo)中變?nèi)荻O管的電容隨電壓的變化斜率 , n 值越�, C-V 特性曲線越� � n 值是反向偏壓的函�(shù), 在某一特定偏壓� n 值有一�(gè)� nmax ,此時(shí)�(duì)�(yīng)的電壓稱為中心電� ,在中心電壓下 ,�?nèi)荻O管的電容稱為中心電容�

    在壓控晶體振蕩器�, 晶體與變?nèi)荻O管的連接方式有串�(lián)與并�(lián) 2 �,串連時(shí)�(yīng)選擇 n =1 的變?nèi)荻O� ,并聯(lián)�(shí)�(yīng)選擇 C-V 特性曲線線性變化的�?nèi)荻O� ,在設(shè)�(jì)中采用的是變?nèi)荻O管與晶體串聯(lián)的方�。一般來(lái)講由于晶體諧振器的�(gè)體特性比較明�,還有�?nèi)荻O管的特性也不是的一� ,所以壓控晶體振蕩器的壓控線性嚴(yán)格來(lái)講都要經(jīng)�(guò)�(diào)�,通過(guò)改變電路的元件�,�(lái)改善壓控頻偏與壓控線性度 。例如可以通過(guò)�(duì)壓控電壓分壓, 改變中心電壓值來(lái)改善壓控線性度, 也可以在�?nèi)荻O管上串聯(lián)、并�(lián)、或串并�(lián)電容�(lái)改善壓控線性度, 還可以用 2 �(gè)�?nèi)荻O管背靠背連接�(lái)改善壓控線性度,在實(shí)際應(yīng)用中可以視情況本著簡(jiǎn)化電�, 節(jié)約成本的原則而定。變?nèi)荻O管作為壓控晶體振蕩器中的�(guān)鍵元�,選擇�(shí)�(yīng)注意以下幾點(diǎn) : � �?nèi)荻O管的中心電容要合� ; ②變?nèi)荻O管的 Cj � VR 特性的平均斜率要足夠大; ③變?nèi)荻O管的 Cj � VR 特性曲線的線性要能滿足要� �

    在設(shè)�(jì)� 2 . 048 MHz 電路� ,我們選用了型號(hào)� HVU417C 的變?nèi)荻O�, � 1 是試�(yàn)�(guò)程中 5 只晶振的壓控指標(biāo) 。從試驗(yàn)�(jié)果可以看� , �(wú)論是壓控頻偏還是壓控�(duì)稱� 、壓控線性均能滿足指�(biāo) ,且電路一致性很�, 適宜大批量生�(chǎn)�

幾種有特殊作用的電壓控制回路

    壓控電壓變大�(shí) ,振蕩頻率變高 ,壓控電壓變小�(shí), 振蕩頻率變低 , 這種�(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�(jiàn) ,另外還有一些在�(shí)際應(yīng)用中比較少見(jiàn)的電壓控制回� ,下面�(jiǎn)要介� 2 ��

    具有�(fù)斜率特性的壓控回路

    �(shí)際應(yīng)用中有時(shí)需要一種負(fù)斜率的壓控特�,即壓控電壓變�, 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 ,�(dāng) VC 增大�(shí) VR減小,�?nèi)荻O管的�(jié)電容變大,振蕩頻率降低; 反之,VC 減小�(shí) VR 增大,�?nèi)荻O管的�(jié)電容變小,振蕩頻率升高�

    有提升電壓的壓控回路

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

壓控晶振溫頻�

    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�,石英諧振器是晶振中的關(guān)鍵元器件,對(duì)于一定的切型和切�,具有相�(yīng)的頻率溫度特� �

    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�。但�(dāng)晶振壓控范圍�(guò)寬時(shí),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�(huì)使用較大的激�(lì)功率,結(jié)果導(dǎo)致晶振的溫度特性變�。對(duì)于高頻壓控晶振,這種�(xiàn)象更為突�。雖�,通過(guò)溫補(bǔ)或恒溫等措施可以改善壓控晶振的溫頻特�,但是會(huì)顯著增加電路的復(fù)雜度和功耗。因�,為了改善高頻壓控晶振的溫頻特性,需要采取更加簡(jiǎn)便有.

改善壓控晶振溫頻特性方�

    合適的壓控范�

    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�(jià)�。當(dāng)壓控晶振的壓控范圍較大時(shí),在不同壓控范圍�,振蕩電路中元器件對(duì)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�(zhuǎn)�(diǎn)相對(duì)于石英諧振器�(fā)生了的變�。并�,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�,在壓控范圍滿足�(yīng)用要求的情況�,應(yīng)適當(dāng)�(diào)節(jié)頻率展寬�(wǎng)�(luò)的參�(shù),不要過(guò)分展寬,以免引起晶振溫頻特性的急劇惡化�

    合理的激�(lì)功率

    AT 切石英諧振器具有較明顯的幅頻效應(yīng),其激�(lì)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(duì)變化; D———電流常�(shù); iq———石英諧振器的激�(lì)電流�

    如果石英諧振器的激�(lì)�(guò)�,會(huì)�(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�,經(jīng)常會(huì)存在一些跳�(diǎn)。當(dāng)激�(lì)偏大�(shí),這些跳點(diǎn)的幅度就�(huì)變大,位置也可能�(fā)生變�,使晶體的溫頻曲線發(fā)生明顯變�。并�,振蕩電路的激�(lì)�(guò)大,也會(huì)使電路中其它元件的影響加�,從而�(jìn)一步惡化晶振的頻率溫度�(wěn)定性�

    石英諧振器的激�(lì)� 100μW �(shí),晶振頻率溫度穩(wěn)定性為 ± 19� 43 × 10 � 6,激�(lì)� 500μW�(shí)晶振的頻率溫度穩(wěn)定性為 ± 32� 17 × 10 � 6。激�(lì)� 500μW �(shí),晶振的高低溫翻�(zhuǎn)�(diǎn)分別� 70� 和- 40� ,而激�(lì)� 100μW �(shí),晶振的高低溫翻�(zhuǎn)�(diǎn)分別� 60� � � 30�??梢?jiàn),減小激�(lì)可有效提高晶振的頻率溫度�(wěn)定�。因�,在�(shè)�(jì)高頻寬壓控晶振時(shí),應(yīng)盡量減小振蕩電路�(duì)石英諧振器的激�(lì),避免由于激�(lì)�(guò)大而引起的晶振頻率�(wěn)定度下降�(wèn)�.

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