壓控晶體振蕩器選用中的幾個(gè)問(wèn)題

　1 前言

　　壓控晶體振蕩器（VCXO）是通過(guò)紅外加控制電壓使振蕩效率可變或是可以調(diào)制的石英晶體振蕩器。VCXO主要由石英諧振器、變?nèi)荻O管和振蕩電路組成，其工作原理是通過(guò)控制電壓來(lái)改變變?nèi)荻O管的電容，從而“牽引”石英諧振器的頻率，以達(dá)到頻率調(diào)制的目的。VCXO大多用于鎖相技術(shù)、頻率負(fù)反饋調(diào)制的目的。VCXO大多用于鎖相技術(shù)、頻率負(fù)反饋系統(tǒng)及頻率調(diào)制，已是通信機(jī)、移動(dòng)電話、尋呼機(jī)、全球定位系統(tǒng)（GPS）等眾多電子應(yīng)用系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵部件。

　　VCXO允許頻率控制的范圍比較寬，牽引度一般為（±35～±50）×10－6，實(shí)際可達(dá)±200×10－6。

　　隨著現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)向高頻、寬帶、便攜式方向發(fā)展，要求VCXO具有高頻、高性能、頻率范圍寬、線性度好、頻率穩(wěn)定度優(yōu)、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(jìn)國(guó)家競(jìng)相開發(fā)與生產(chǎn)高水平的產(chǎn)品來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。表1為美國(guó)十大著名VCXO廠商生產(chǎn)的VCXO品種、性能和價(jià)格1。

　　VCXO技術(shù)規(guī)范中列有多項(xiàng)性能參數(shù)。這些參數(shù)往往是相互關(guān)聯(lián)的。我們不能一味追求某些參數(shù)的高指標(biāo)而忽視由此引起的其它參數(shù)的劣化。例如，VCXO允許的頻率控制范圍就是有限制的。一般來(lái)說(shuō)，如果要求VCXO有較大的牽引度，則它在工作溫度范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定度就較差。反之，如果對(duì)頻率穩(wěn)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(shù)規(guī)范和使用要求，對(duì)于在設(shè)計(jì)上用好這種器件是很關(guān)鍵的。下面我們將介紹VCXO電參數(shù)的特點(diǎn)和選用時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題。

　　2 VCXO的確定

　　首先，要弄清楚具體應(yīng)用場(chǎng)合是需要VCXO，還是一般的振蕩器。當(dāng)設(shè)計(jì)人員希望通過(guò)外加控制電壓來(lái)對(duì)振蕩器的頻率作小范圍的調(diào)諧時(shí)，就應(yīng)選用VCXO器件。我們把這種振蕩器調(diào)諧稱為牽引度（pullability）。牽引度用10－6數(shù)量級(jí)表示。VCXO牽引度的典型值為±50×10－6～±200×10－6，要得到這種范圍的牽引度，VCXO產(chǎn)品一般采用標(biāo)準(zhǔn)圓形石英晶體。為了滿足牽引度范圍大的要求，設(shè)計(jì)上須用大尺寸晶體（直接0.25英寸～0.35英寸）。此外，如果要得到大范圍的牽引度，VCXO產(chǎn)品的晶體應(yīng)是基模晶體。

　　3 頻率穩(wěn)定度要求

　　VCXO用石英晶體作頻率控制元件，其振蕩頻率在工作溫度內(nèi)是穩(wěn)定的。當(dāng)我們對(duì)VCXO進(jìn)行調(diào)諧時(shí)，振蕩頻率會(huì)發(fā)生改變；但偏離標(biāo)稱頻率的各個(gè)頻率值在工作溫度范圍內(nèi)同樣是穩(wěn)定的。必須注意，對(duì)于一個(gè)給定的頻率而言，頻率穩(wěn)定度要求越高，要得到大范圍的牽引度就越困難。采用硅解決方案，不能獲得良好的頻率穩(wěn)定度。這是因?yàn)楣璐嬖陬潉?dòng)噪聲和相位噪聲所致。VCXO采用了石英晶體，頻率異常穩(wěn)定，是目前最好的頻率控制器件。

表1美國(guó)VCXO性能  

　　4 電壓調(diào)諧與頻率變化的關(guān)系   

　　VCXO的頻率偏移值同加在其調(diào)諧電路上的控制電壓的大小有關(guān)。VCXO標(biāo)稱頻率對(duì)應(yīng)的調(diào)諧電壓規(guī)定為VCC（電源電壓）的一半。VCC為5V的VCXO，控制電壓為2.5V時(shí)就產(chǎn)生中心頻率。控制電壓為（0.5～4.5）V的VCXO，其頻率變化曲線的斜率為正。也就是說(shuō)，當(dāng)控制電壓從2.5V上升為4.5V時(shí)，振蕩器的頻率將增大；當(dāng)控制電壓從2.5V降為0.5V時(shí)，振蕩器的頻率將減小。振蕩器的頻率隨控制電壓變化的特性，往往用調(diào)諧靈敏度這一物理量來(lái)描述。調(diào)諧靈敏度用單位10－6/V表示。如果VCXO的牽引度為±100×10－6，控制電壓范圍為（0.5～4.5）V，則其調(diào)諧靈敏度等于50×10－6/V。要求控制電壓沒(méi)有噪聲或其它可能引起振蕩器頻率和輸出波形特性發(fā)生突變的瞬態(tài)過(guò)程，這一點(diǎn)很重要。為把噪聲減至最小，經(jīng)常采取的措施是在電路板上把模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)分別接地。

　　5 相位噪聲和調(diào)制

　　一切振蕩器都有一些振幅調(diào)制噪聲和相位調(diào)制噪聲。VCXO的相位噪聲要受振蕩器電路結(jié)構(gòu)和石英晶體的影響。VCXO電源的瞬態(tài)過(guò)程或波紋產(chǎn)生的調(diào)制還會(huì)使它的相位噪聲性能惡化。相位噪聲的均方根值是由相位噪聲頻譜在給定帶寬內(nèi)求積分而推算出來(lái)的。相位噪聲是根據(jù)頻率相對(duì)于中心頻率的偏移量來(lái)界定的，用單位dBc/Hz表示。鎖相環(huán)電路使用的大多數(shù)VCXO器件必須具有良好的相位噪聲特性。如果應(yīng)用上對(duì)相應(yīng)噪聲有嚴(yán)格要求，選用VCXO時(shí)就一定要規(guī)定相位噪聲允許的范圍。

　　6 線性度

　　VCXO振蕩頻率隨控制電壓變化的函數(shù)關(guān)系是非線性的。設(shè)計(jì)優(yōu)良的VCXO，其頻率與控制電

　　壓的函數(shù)曲線接近直線，偏離直線的范圍控制在

　　±10％以內(nèi)。一般來(lái)說(shuō)，VCXO的牽引度越大，它的線性度就越差。大多數(shù)VCXO的頻率與控制電壓的函數(shù)曲線都具有正斜率而且是單調(diào)的。因此，當(dāng)控制電壓增加時(shí)，牽引度就變大。

　　7 控制電壓端口的輸入阻抗和調(diào)制帶寬2

　　當(dāng)以10kHz速率進(jìn)行調(diào)制時(shí)，VCXO控制電壓端口的輸入阻抗通常在50kΩ以上。生產(chǎn)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(lái)改進(jìn)它的調(diào)制帶寬和噪聲性能。VCXO典型的調(diào)制帶寬為直流至20kHz。調(diào)制頻率超過(guò)20kHz，VCXO輸出信號(hào)中可能會(huì)出現(xiàn)寄生響應(yīng)。在某些場(chǎng)合，可以采取措施使輸入阻抗和調(diào)制帶寬滿足特殊需要。

　　8 絕對(duì)牽引范圍與標(biāo)稱振蕩頻率偏移的關(guān)系

　　在工業(yè)上，定義VCXO牽引度的方法有兩種。一種方法叫做絕對(duì)牽引范圍（APR）。這種方法定義的牽引度考慮了VCXO各相關(guān)因素產(chǎn)生的所有頻率變化，因而給出的是總的牽引范圍。簡(jiǎn)言之，APR定義的牽引度等于VCXO相對(duì)于標(biāo)稱振蕩頻率的頻移同穩(wěn)定性、電壓變化、負(fù)載變化和老化特性等因素引起的頻率變化之和。例如，一個(gè)APR為±100×10－6的VCXO，它所追蹤的源信號(hào)在各種規(guī)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(duì)于標(biāo)稱振蕩頻率的頻率偏移。這種方法就沒(méi)有考慮總體穩(wěn)定性或老化特性的影響。

　　9 頻率與價(jià)格的關(guān)系

　　VCXO采用基模晶體來(lái)獲得要求的牽引度值。對(duì)于30MHz以下頻率，VCXO運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)圓形晶體設(shè)計(jì)。頻率超過(guò)30MHz后，標(biāo)準(zhǔn)基模晶體就很難制造。隨著頻率的增加，晶體變得越來(lái)越薄，制造過(guò)程中的操作也更加困難。在30MHz以上的頻率基模工作就需采用反向臺(tái)面晶體。反向臺(tái)面晶體制造技術(shù)是一種較新的技術(shù)，比傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)晶體加工技術(shù)復(fù)雜。因此，高頻率產(chǎn)品的加工往往損耗也較大。一般來(lái)說(shuō)，采用反向臺(tái)面晶體的高頻VCXO產(chǎn)品比使用標(biāo)準(zhǔn)圓形晶體的低頻VCXO產(chǎn)品價(jià)格貴。30MHz以上的VCXO產(chǎn)品價(jià)格較高也就不難理解了。

　　10 工作電壓與工作電流

　　VCXO的電源電壓及其允許的誤差范圍，常常同器件的額定電流或最大電流一起同時(shí)加以規(guī)定。隨著電源電壓的降低（例如3.3V），控制電壓值也將減小。借助這種較低的控制電壓很難獲得大范圍的牽引度。如果VCXO是用小晶體封裝在小型表面組裝外殼內(nèi)制成的話，情況更是如此。

　　11 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(shè)計(jì)人員要弄清楚設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，只有這樣，才能為特定的應(yīng)用選擇正確的輸出類型。

　　12 波形要求

　　VCXO還對(duì)對(duì)稱性、邏輯電平、上升時(shí)間、下降時(shí)間等波形參數(shù)作了規(guī)定。現(xiàn)有VCXO產(chǎn)品可滿足TTL、ECL、CMOS等集成電路的波形參數(shù)要求。對(duì)上升時(shí)間、下降時(shí)間和對(duì)稱性要求十分嚴(yán)格時(shí)，要特別注意負(fù)載的大小和基準(zhǔn)電平的高低，以免對(duì)廠商給出的參數(shù)值造成誤解。