[導讀]有一些電子設(shè)備需要頻率高度穩(wěn)定的交流信號，而LC振蕩器穩(wěn)定性較差，頻率容易漂移(即產(chǎn)生的交流信號頻率容易變化)。在振蕩器中采用一個特殊的元件——石英晶體，可以產(chǎn)生高度穩(wěn)定的信號，這種采用石英晶體的振蕩器稱為晶體振蕩器。
有一些電子設(shè)備需要頻率高度穩(wěn)定的交流信號，而LC振蕩器穩(wěn)定性較差，頻率容易漂移(即產(chǎn)生的交流信號頻率容易變化)。在振蕩器中采用一個特殊的元件——石英晶體，可以產(chǎn)生高度穩(wěn)定的信號，這種采用石英晶體的振蕩器稱為晶體振蕩器。
晶振具有壓電效應(yīng)，即在晶片兩極外加電壓后晶體會產(chǎn)生變形，反過來如外力使晶片變形，則兩極上金屬片又會產(chǎn)生電壓。如果給晶片加上適當?shù)慕蛔冸妷?，晶片就會產(chǎn)生諧振(諧振頻率與石英斜面傾角等有關(guān)系，且頻率一定)。晶振利用一種能把電能和機械能相互轉(zhuǎn)化的晶體，在共振的狀態(tài)下工作可以提供穩(wěn)定、精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達百萬分之五十。利用該特性，晶振可以提供較穩(wěn)定的脈沖，廣泛應(yīng)用于微芯片的時鐘電路里。晶片多為石英半導體材料，外殼用金屬封裝。晶振常與主板、南橋、聲卡等電路連接使用。晶振可比喻為各板卡的“心跳”發(fā)生器，如果主卡的“心跳”出現(xiàn)問題，必定會使其他各電路出現(xiàn)故障。
接通電源后，三極管VT1、VT2導通，VT2發(fā)射極輸出變化的Ie電流中包含各種頻率的信號，石英晶體X1對其中的f0信號阻抗很小，f0信號經(jīng)X1、RP1反饋到VT1的發(fā)射極，該信號經(jīng)VT1放大后從集電極輸出，又加到VT2放大后從發(fā)射極輸出，然后又通過X1反饋到VT1放大，如此反復進行，VT2輸出的f0信號幅度越來越大，VT1、VT2組成的放大電路放大倍數(shù)越來越小，當放大倍數(shù)等于反饋衰減系數(shù)時，輸出f0信號幅度不再變化，電路輸出穩(wěn)定的f0信號。3.石英晶體振蕩器分為非溫度補償式晶體振蕩器、溫度補償式晶體振蕩器(TCXO)、電壓控制晶體振蕩器4(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，非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)中稱之為標準封裝晶體振蕩器(SPXO)。 [2] ① 恒溫控制式晶體振蕩器。恒溫控制式晶體振蕩器(OCXO)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，將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，如圖15-3所示。在OCXO中，有的只將石英晶體振子置于恒溫槽中，有的是將石英晶體振子和有關(guān)重要元器件置于恒溫槽中，還有的將石英晶體振子置于內(nèi)部的恒溫槽中，而將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(wěn)定度提高到5000倍以上，使振蕩器頻率穩(wěn)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(shù)器、頻譜和網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備、儀表中。OCXO是由恒溫槽控制電路和振蕩器電路構(gòu)成的。通常人們是利用熱敏電阻“電橋”構(gòu)成的差動串聯(lián)放大器來實現(xiàn)溫度控制的。具有自動增益控制(AGC)的(Clapp)振蕩電路，是目前獲得振蕩頻率高穩(wěn)定度的比較理想的技術(shù)方案。近幾年中，OCXO的技術(shù)水平有了很大的提高。
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(yīng)變化，從而抵消或削減振蕩頻率的溫度漂移。該補償電路簡單，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±1×10-6時，直接補償方式并不適合。b.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只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)±0.5×10-6的高精度，但在3V以下的低電壓情況下受到限制。數(shù)字式間接溫度補償是在模擬式間接溫度補償電路中的溫度-電壓變換電路之后再加一級模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)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。③ 普通晶體振蕩器。普通晶體振蕩器(SPXO)是一種簡單的晶體振蕩器，通常稱為鐘振。它是一種完全由晶體自由振蕩完成工作的晶體振蕩器。這類晶振主要應(yīng)用于穩(wěn)定度要求不高的場合。圖8所示為普通晶體振蕩器。
晶振具有壓電效應(yīng)，即在晶片兩極外加電壓后晶體會產(chǎn)生變形，反過來如外力使晶片變形，則兩極上金屬片又會產(chǎn)生電壓。如果給晶片加上適當?shù)慕蛔冸妷?，晶片就會產(chǎn)生諧振(諧振頻率與石英斜面傾角等有關(guān)系，且頻率一定)。晶振利用一種能把電能和機械能相互轉(zhuǎn)化的晶體，在共振的狀態(tài)下工作可以提供穩(wěn)定、精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達百萬分之五十。利用該特性，晶振可以提供較穩(wěn)定的脈沖，廣泛應(yīng)用于微芯片的時鐘電路里。晶片多為石英半導體材料，外殼用金屬封裝。晶振常與主板、南橋、聲卡等電路連接使用。晶振可比喻為各板卡的“心跳”發(fā)生器，如果主卡的“心跳”出現(xiàn)問題，必定會使其他各電路出現(xiàn)故障。
接通電源后，三極管VT1、VT2導通，VT2發(fā)射極輸出變化的Ie電流中包含各種頻率的信號，石英晶體X1對其中的f0信號阻抗很小，f0信號經(jīng)X1、RP1反饋到VT1的發(fā)射極，該信號經(jīng)VT1放大后從集電極輸出，又加到VT2放大后從發(fā)射極輸出，然后又通過X1反饋到VT1放大，如此反復進行，VT2輸出的f0信號幅度越來越大，VT1、VT2組成的放大電路放大倍數(shù)越來越小，當放大倍數(shù)等于反饋衰減系數(shù)時，輸出f0信號幅度不再變化，電路輸出穩(wěn)定的f0信號。3.石英晶體振蕩器分為非溫度補償式晶體振蕩器、溫度補償式晶體振蕩器(TCXO)、電壓控制晶體振蕩器4(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，非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)中稱之為標準封裝晶體振蕩器(SPXO)。 [2] ① 恒溫控制式晶體振蕩器。恒溫控制式晶體振蕩器(OCXO)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，將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，如圖15-3所示。在OCXO中，有的只將石英晶體振子置于恒溫槽中，有的是將石英晶體振子和有關(guān)重要元器件置于恒溫槽中，還有的將石英晶體振子置于內(nèi)部的恒溫槽中，而將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(wěn)定度提高到5000倍以上，使振蕩器頻率穩(wěn)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(shù)器、頻譜和網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備、儀表中。OCXO是由恒溫槽控制電路和振蕩器電路構(gòu)成的。通常人們是利用熱敏電阻“電橋”構(gòu)成的差動串聯(lián)放大器來實現(xiàn)溫度控制的。具有自動增益控制(AGC)的(Clapp)振蕩電路，是目前獲得振蕩頻率高穩(wěn)定度的比較理想的技術(shù)方案。近幾年中，OCXO的技術(shù)水平有了很大的提高。
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(yīng)變化，從而抵消或削減振蕩頻率的溫度漂移。該補償電路簡單，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±1×10-6時，直接補償方式并不適合。b.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只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)±0.5×10-6的高精度，但在3V以下的低電壓情況下受到限制。數(shù)字式間接溫度補償是在模擬式間接溫度補償電路中的溫度-電壓變換電路之后再加一級模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)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。③ 普通晶體振蕩器。普通晶體振蕩器(SPXO)是一種簡單的晶體振蕩器，通常稱為鐘振。它是一種完全由晶體自由振蕩完成工作的晶體振蕩器。這類晶振主要應(yīng)用于穩(wěn)定度要求不高的場合。圖8所示為普通晶體振蕩器。
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