[導(dǎo)讀]有一些電子設(shè)備需要頻率高度穩(wěn)定的交流信號(hào)，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(hào)頻率容易變化)。在振蕩器中采用一個(gè)特殊的元件——石英晶體，可以產(chǎn)生高度穩(wěn)定的信號(hào)，這種采用石英晶體的振蕩器稱(chēng)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(hào)，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(hào)頻率容易變化)。在振蕩器中采用一個(gè)特殊的元件——石英晶體，可以產(chǎn)生高度穩(wěn)定的信號(hào)，這種采用石英晶體的振蕩器稱(chēng)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(huì)產(chǎn)生變形，反過(guò)來(lái)如外力使晶片變形，則兩極上金屬片又會(huì)產(chǎn)生電壓。如果給晶片加上適當(dāng)?shù)慕蛔冸妷?，晶片就?huì)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(jī)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(duì)精度可達(dá)百萬(wàn)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(shí)鐘電路里。晶片多為石英半導(dǎo)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(wèn)題，必定會(huì)使其他各電路出現(xiàn)故障。
接通電源后，三極管VT1、VT2導(dǎo)通，VT2發(fā)射極輸出變化的Ie電流中包含各種頻率的信號(hào)，石英晶體X1對(duì)其中的f0信號(hào)阻抗很小，f0信號(hào)經(jīng)X1、RP1反饋到VT1的發(fā)射極，該信號(hào)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(guò)X1反饋到VT1放大，如此反復(fù)進(jìn)行，VT2輸出的f0信號(hào)幅度越來(lái)越大，VT1、VT2組成的放大電路放大倍數(shù)越來(lái)越小，當(dāng)放大倍數(shù)等于反饋衰減系數(shù)時(shí)，輸出f0信號(hào)幅度不再變化，電路輸出穩(wěn)定的f0信號(hào)。3.石英晶體振蕩器分為非溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器、溫度補(bǔ)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(bǔ)償式晶體振蕩器(DCXO/MCXO)等幾種類(lèi)型。其中，非溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器是最簡(jiǎn)單的一種，在日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)中稱(chēng)之為標(biāo)準(zhǔn)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?chē)鷾囟茸兓鸬恼袷幤鬏敵鲱l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(jìn)行溫度補(bǔ)償，實(shí)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(dòng)通信基地站、國(guó)防、導(dǎo)航、頻率計(jì)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(dòng)串聯(lián)放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制的。具有自動(dòng)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(bǔ)償型。直接補(bǔ)償型TCXO是由熱敏電阻和阻容元件組成的溫度補(bǔ)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(shí)，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(bǔ)償電路簡(jiǎn)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(chǎng)合。但當(dāng)要求晶體振蕩器精度小于±1×10-6時(shí)，直接補(bǔ)償方式并不適合。b.間接補(bǔ)償型。間接補(bǔ)償型又分模擬式和數(shù)字式兩種類(lèi)型。模擬式間接溫度補(bǔ)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(guò)晶體振子串聯(lián)電容量的變化，對(duì)晶體振子的非線(xiàn)性頻率漂移進(jìn)行補(bǔ)償。該補(bǔ)償方式能實(shí)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(bǔ)償是在模擬式間接溫度補(bǔ)償電路中的溫度-電壓變換電路之后再加一級(jí)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫度補(bǔ)償，使晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度非常高，但具體的補(bǔ)償電路比較復(fù)雜，成本也較高，只適用于基地站和廣播電臺(tái)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(jiǎn)單的晶體振蕩器，通常稱(chēng)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(lèi)晶振主要應(yīng)用于穩(wěn)定度要求不高的場(chǎng)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(huì)產(chǎn)生變形，反過(guò)來(lái)如外力使晶片變形，則兩極上金屬片又會(huì)產(chǎn)生電壓。如果給晶片加上適當(dāng)?shù)慕蛔冸妷?，晶片就?huì)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(jī)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(duì)精度可達(dá)百萬(wàn)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(shí)鐘電路里。晶片多為石英半導(dǎo)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(wèn)題，必定會(huì)使其他各電路出現(xiàn)故障。
接通電源后，三極管VT1、VT2導(dǎo)通，VT2發(fā)射極輸出變化的Ie電流中包含各種頻率的信號(hào)，石英晶體X1對(duì)其中的f0信號(hào)阻抗很小，f0信號(hào)經(jīng)X1、RP1反饋到VT1的發(fā)射極，該信號(hào)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(guò)X1反饋到VT1放大，如此反復(fù)進(jìn)行，VT2輸出的f0信號(hào)幅度越來(lái)越大，VT1、VT2組成的放大電路放大倍數(shù)越來(lái)越小，當(dāng)放大倍數(shù)等于反饋衰減系數(shù)時(shí)，輸出f0信號(hào)幅度不再變化，電路輸出穩(wěn)定的f0信號(hào)。3.石英晶體振蕩器分為非溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器、溫度補(bǔ)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(bǔ)償式晶體振蕩器(DCXO/MCXO)等幾種類(lèi)型。其中，非溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器是最簡(jiǎn)單的一種，在日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)中稱(chēng)之為標(biāo)準(zhǔn)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?chē)鷾囟茸兓鸬恼袷幤鬏敵鲱l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(jìn)行溫度補(bǔ)償，實(shí)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(dòng)通信基地站、國(guó)防、導(dǎo)航、頻率計(jì)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(dòng)串聯(lián)放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制的。具有自動(dòng)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(bǔ)償型。直接補(bǔ)償型TCXO是由熱敏電阻和阻容元件組成的溫度補(bǔ)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(shí)，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(bǔ)償電路簡(jiǎn)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(chǎng)合。但當(dāng)要求晶體振蕩器精度小于±1×10-6時(shí)，直接補(bǔ)償方式并不適合。b.間接補(bǔ)償型。間接補(bǔ)償型又分模擬式和數(shù)字式兩種類(lèi)型。模擬式間接溫度補(bǔ)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(guò)晶體振子串聯(lián)電容量的變化，對(duì)晶體振子的非線(xiàn)性頻率漂移進(jìn)行補(bǔ)償。該補(bǔ)償方式能實(shí)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(bǔ)償是在模擬式間接溫度補(bǔ)償電路中的溫度-電壓變換電路之后再加一級(jí)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫度補(bǔ)償，使晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度非常高，但具體的補(bǔ)償電路比較復(fù)雜，成本也較高，只適用于基地站和廣播電臺(tái)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(jiǎn)單的晶體振蕩器，通常稱(chēng)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(lèi)晶振主要應(yīng)用于穩(wěn)定度要求不高的場(chǎng)合。圖8所示為普通晶體振蕩器。
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