压控晶体振荡器选用中的几个问题 (图)
1 前言
压控晶体振荡器（VCXO）是通过红外加控制电压使振荡效率可变或是可以调制的石英晶体振荡器。VCXO主要由石英谐振器、变容二极管和振荡电路组成，其工作原理是通过控制电压来改变变容二极管的电容，从而“牵引”石英谐振器的频率，以达到频率调制的目的。VCXO大多用于锁相技术、频率负反馈调制的目的。VCXO大多用于锁相技术、频率负反馈系统及频率调制，已是通信机、移动电话、寻呼机、全球定位系统（GPS）等众多电子应用系统必不可少的关键部件。
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VCXO允许频率控制的范围比较宽，牵引度一般为（±35～±50）×10－6，实际可达±200×10－6。
随着现代无线通信系统向高频、宽带、便携式方向发展，要求VCXO具有高频、高性能、频率范围宽、线性度好、频率稳定度优、频率牵引误差小、噪声低和封装尺寸小等特性。世界上各先进国家竞相开发与生产高水平的产品来满足日益增长的市场需求。表1为美国十大著名VCXO厂商生产的VCXO品种、性能和价格1。
VCXO技术规范中列有多项性能参数。这些参数往往是相互关联的。我们不能一味追求某些参数的高指标而忽视由此引起的其它参数的劣化。例如，VCXO允许的频率控制范围就是有限制的。一般来说，如果要求VCXO有较大的牵引度，则它在工作温度范围内的频率稳定度就较差。反之，如果对频率稳定度要求高，就很难得到较大的牵引度（>±200×10－6）。因此，正确了解VCXO的技术规范和使用要求，对于在设计上用好这种器件是很关键的。下面我们将介绍VCXO电参数的特点和选用时应注意的问题。
2 VCXO的确定
首先，要弄清楚具体应用场合是需要VCXO，还是一般的振荡器。当设计人员希望通过外加控制电压来对振荡器的频率作小范围的调谐时，就应选用VCXO器件。我们把这种振荡器调谐称为牵引度（pullability）。牵引度用10－6数量级表示。VCXO牵引度的典型值为±50×10－6～±200×10－6，要得到这种范围的牵引度，VCXO产品一般采用标准圆形石英晶体。为了满足牵引度范围大的要求，设计上须用大尺寸晶体（直接0.25英寸～0.35英寸）。此外，如果要得到大范围的牵引度，VCXO产品的晶体应是基模晶体。
3 频率稳定度要求
VCXO用石英晶体作频率控制元件，其振荡频率在工作温度内是稳定的。当我们对VCXO进行调谐时，振荡频率会发生改变；但偏离标称频率的各个频率值在工作温度范围内同样是稳定的。必须注意，对于一个给定的频率而言，频率稳定度要求越高，要得到大范围的牵引度就越困难。采用硅解决方案，不能获得良好的频率稳定度。这是因为硅存在颤动噪声和相位噪声所致。VCXO采用了石英晶体，频率异常稳定，是目前最好的频率控制器件。
表1美国VCXO性能
4 电压调谐与频率变化的关系
VCXO的频率偏移值同加在其调谐电路上的控制电压的大小有关。VCXO标称频率对应的调谐电压规定为VCC（电源电压）的一半。VCC为5V的VCXO，控制电压为2.5V时就产生中心频率。控制电压为（0.5～4.5）V的VCXO，其频率变化曲线的斜率为正。也就是说，当控制电压从2.5V上升为4.5V时，振荡器的频率将增大；当控制电压从2.5V降为0.5V时，振荡器的频率将减小。振荡器的频率随控制电压变化的特性，往往用调谐灵敏度这一物理量来描述。调谐灵敏度用单位10－6/V表示。如果VCXO的牵引度为±100×10－6，控制电压范围为（0.5～4.5）V，则其调谐灵敏度等于50×10－6/V。要求控制电压没有噪声或其它可能引起振荡器频率和输出波形特性发生突变的瞬态过程，这一点很重要。为把噪声减至最小，经常采取的措施是在电路板上把模拟信号与数字信号分别接地。
5 相位噪声和调制
一切振荡器都有一些振幅调制噪声和相位调制噪声。VCXO的相位噪声要受振荡器电路结构和石英晶体的影响。VCXO电源的瞬态过程或波纹产生的调制还会使它的相位噪声性能恶化。相位噪声的均方根值是由相位噪声频谱在给定带宽内求积分而推算出来的。相位噪声是根据频率相对于中心频率的偏移量来界定的，用单位dBc/Hz表示。锁相环电路使用的大多数VCXO器件必须具有良好的相位噪声特性。如果应用上对相应噪声有严格要求，选用VCXO时就一定要规定相位噪声允许的范围。
6 线性度
VCXO振荡频率随控制电压变化的函数关系是非线性的。设计优良的VCXO，其频率与控制电
压的函数曲线接近直线，偏离直线的范围控制在
±10％以内。一般来说，VCXO的牵引度越大，它的线性度就越差。大多数VCXO的频率与控制电压的函数曲线都具有正斜率而且是单调的。因此，当控制电压增加时，牵引度就变大。
7 控制电压端口的输入阻抗和调制带宽2
当以10kHz速率进行调制时，VCXO控制电压端口的输入阻抗通常在50kΩ以上。生产厂商受到空间窄小的约束，不能在VCXO输入端口采取充分的滤波措施来改进它的调制带宽和噪声性能。VCXO典型的调制带宽为直流至20kHz。调制频率超过20kHz，VCXO输出信号中可能会出现寄生响应。在某些场合，可以采取措施使输入阻抗和调制带宽满足特殊需要。
8 绝对牵引范围与标称振荡频率偏移的关系
在工业上，定义VCXO牵引度的方法有两种。一种方法叫做绝对牵引范围（APR）。这种方法定义的牵引度考虑了VCXO各相关因素产生的所有频率变化，因而给出的是总的牵引范围。简言之，APR定义的牵引度等于VCXO相对于标称振荡频率的频移同稳定性、电压变化、负载变化和老化特性等因素引起的频率变化之和。例如，一个APR为±100×10－6的VCXO，它所追踪的源信号在各种规定的工作条件下具有的最大频率偏移将为±100×10－6。
定义VCXO牵引度的第二种方法仅仅考虑相对于标称振荡频率的频率偏移。这种方法就没有考虑总体稳定性或老化特性的影响。
9 频率与价格的关系
VCXO采用基模晶体来获得要求的牵引度值。对于30MHz以下频率，VCXO运用标准圆形晶体设计。频率超过30MHz后，标准基模晶体就很难制造。随着频率的增加，晶体变得越来越薄，制造过程中的操作也更加困难。在30MHz以上的频率基模工作就需采用反向台面晶体。反向台面晶体制造技术是一种较新的技术，比传统的标准晶体加工技术复杂。因此，高频率产品的加工往往损耗也较大。一般来说，采用反向台面晶体的高频VCXO产品比使用标准圆形晶体的低频VCXO产品价格贵。30MHz以上的VCXO产品价格较高也就不难理解了。
10 工作电压与工作电流
VCXO的电源电压及其允许的误差范围，常常同器件的额定电流或最大电流一起同时加以规定。随着电源电压的降低（例如3.3V），控制电压值也将减小。借助这种较低的控制电压很难获得大范围的牵引度。如果VCXO是用小晶体封装在小型表面组装外壳内制成的话，情况更是如此。
11 输出要求
VCXO可提供适合TTL、ECL、CMOS等集成电路要求的多种输出。设计人员要弄清楚设计的实际要求，只有这样，才能为特定的应用选择正确的输出类型。
12 波形要求
VCXO还对对称性、逻辑电平、上升时间、下降时间等波形参数作了规定。现有VCXO产品可满足TTL、ECL、CMOS等集成电路的波形参数要求。对上升时间、下降时间和对称性要求十分严格时，要特别注意负载的大小和基准电平的高低，以免对厂商给出的参数值造成误解。
压控晶体振荡器（VCXO）是通过红外加控制电压使振荡效率可变或是可以调制的石英晶体振荡器。VCXO主要由石英谐振器、变容二极管和振荡电路组成，其工作原理是通过控制电压来改变变容二极管的电容，从而“牵引”石英谐振器的频率，以达到频率调制的目的。VCXO大多用于锁相技术、频率负反馈调制的目的。VCXO大多用于锁相技术、频率负反馈系统及频率调制，已是通信机、移动电话、寻呼机、全球定位系统（GPS）等众多电子应用系统必不可少的关键部件。
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VCXO允许频率控制的范围比较宽，牵引度一般为（±35～±50）×10－6，实际可达±200×10－6。
随着现代无线通信系统向高频、宽带、便携式方向发展，要求VCXO具有高频、高性能、频率范围宽、线性度好、频率稳定度优、频率牵引误差小、噪声低和封装尺寸小等特性。世界上各先进国家竞相开发与生产高水平的产品来满足日益增长的市场需求。表1为美国十大著名VCXO厂商生产的VCXO品种、性能和价格1。
VCXO技术规范中列有多项性能参数。这些参数往往是相互关联的。我们不能一味追求某些参数的高指标而忽视由此引起的其它参数的劣化。例如，VCXO允许的频率控制范围就是有限制的。一般来说，如果要求VCXO有较大的牵引度，则它在工作温度范围内的频率稳定度就较差。反之，如果对频率稳定度要求高，就很难得到较大的牵引度（>±200×10－6）。因此，正确了解VCXO的技术规范和使用要求，对于在设计上用好这种器件是很关键的。下面我们将介绍VCXO电参数的特点和选用时应注意的问题。
2 VCXO的确定
首先，要弄清楚具体应用场合是需要VCXO，还是一般的振荡器。当设计人员希望通过外加控制电压来对振荡器的频率作小范围的调谐时，就应选用VCXO器件。我们把这种振荡器调谐称为牵引度（pullability）。牵引度用10－6数量级表示。VCXO牵引度的典型值为±50×10－6～±200×10－6，要得到这种范围的牵引度，VCXO产品一般采用标准圆形石英晶体。为了满足牵引度范围大的要求，设计上须用大尺寸晶体（直接0.25英寸～0.35英寸）。此外，如果要得到大范围的牵引度，VCXO产品的晶体应是基模晶体。
3 频率稳定度要求
VCXO用石英晶体作频率控制元件，其振荡频率在工作温度内是稳定的。当我们对VCXO进行调谐时，振荡频率会发生改变；但偏离标称频率的各个频率值在工作温度范围内同样是稳定的。必须注意，对于一个给定的频率而言，频率稳定度要求越高，要得到大范围的牵引度就越困难。采用硅解决方案，不能获得良好的频率稳定度。这是因为硅存在颤动噪声和相位噪声所致。VCXO采用了石英晶体，频率异常稳定，是目前最好的频率控制器件。
表1美国VCXO性能
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4 电压调谐与频率变化的关系
VCXO的频率偏移值同加在其调谐电路上的控制电压的大小有关。VCXO标称频率对应的调谐电压规定为VCC（电源电压）的一半。VCC为5V的VCXO，控制电压为2.5V时就产生中心频率。控制电压为（0.5～4.5）V的VCXO，其频率变化曲线的斜率为正。也就是说，当控制电压从2.5V上升为4.5V时，振荡器的频率将增大；当控制电压从2.5V降为0.5V时，振荡器的频率将减小。振荡器的频率随控制电压变化的特性，往往用调谐灵敏度这一物理量来描述。调谐灵敏度用单位10－6/V表示。如果VCXO的牵引度为±100×10－6，控制电压范围为（0.5～4.5）V，则其调谐灵敏度等于50×10－6/V。要求控制电压没有噪声或其它可能引起振荡器频率和输出波形特性发生突变的瞬态过程，这一点很重要。为把噪声减至最小，经常采取的措施是在电路板上把模拟信号与数字信号分别接地。
5 相位噪声和调制
一切振荡器都有一些振幅调制噪声和相位调制噪声。VCXO的相位噪声要受振荡器电路结构和石英晶体的影响。VCXO电源的瞬态过程或波纹产生的调制还会使它的相位噪声性能恶化。相位噪声的均方根值是由相位噪声频谱在给定带宽内求积分而推算出来的。相位噪声是根据频率相对于中心频率的偏移量来界定的，用单位dBc/Hz表示。锁相环电路使用的大多数VCXO器件必须具有良好的相位噪声特性。如果应用上对相应噪声有严格要求，选用VCXO时就一定要规定相位噪声允许的范围。
6 线性度
VCXO振荡频率随控制电压变化的函数关系是非线性的。设计优良的VCXO，其频率与控制电
压的函数曲线接近直线，偏离直线的范围控制在
±10％以内。一般来说，VCXO的牵引度越大，它的线性度就越差。大多数VCXO的频率与控制电压的函数曲线都具有正斜率而且是单调的。因此，当控制电压增加时，牵引度就变大。
7 控制电压端口的输入阻抗和调制带宽2
当以10kHz速率进行调制时，VCXO控制电压端口的输入阻抗通常在50kΩ以上。生产厂商受到空间窄小的约束，不能在VCXO输入端口采取充分的滤波措施来改进它的调制带宽和噪声性能。VCXO典型的调制带宽为直流至20kHz。调制频率超过20kHz，VCXO输出信号中可能会出现寄生响应。在某些场合，可以采取措施使输入阻抗和调制带宽满足特殊需要。
8 绝对牵引范围与标称振荡频率偏移的关系
在工业上，定义VCXO牵引度的方法有两种。一种方法叫做绝对牵引范围（APR）。这种方法定义的牵引度考虑了VCXO各相关因素产生的所有频率变化，因而给出的是总的牵引范围。简言之，APR定义的牵引度等于VCXO相对于标称振荡频率的频移同稳定性、电压变化、负载变化和老化特性等因素引起的频率变化之和。例如，一个APR为±100×10－6的VCXO，它所追踪的源信号在各种规定的工作条件下具有的最大频率偏移将为±100×10－6。
定义VCXO牵引度的第二种方法仅仅考虑相对于标称振荡频率的频率偏移。这种方法就没有考虑总体稳定性或老化特性的影响。
9 频率与价格的关系
VCXO采用基模晶体来获得要求的牵引度值。对于30MHz以下频率，VCXO运用标准圆形晶体设计。频率超过30MHz后，标准基模晶体就很难制造。随着频率的增加，晶体变得越来越薄，制造过程中的操作也更加困难。在30MHz以上的频率基模工作就需采用反向台面晶体。反向台面晶体制造技术是一种较新的技术，比传统的标准晶体加工技术复杂。因此，高频率产品的加工往往损耗也较大。一般来说，采用反向台面晶体的高频VCXO产品比使用标准圆形晶体的低频VCXO产品价格贵。30MHz以上的VCXO产品价格较高也就不难理解了。
10 工作电压与工作电流
VCXO的电源电压及其允许的误差范围，常常同器件的额定电流或最大电流一起同时加以规定。随着电源电压的降低（例如3.3V），控制电压值也将减小。借助这种较低的控制电压很难获得大范围的牵引度。如果VCXO是用小晶体封装在小型表面组装外壳内制成的话，情况更是如此。
11 输出要求
VCXO可提供适合TTL、ECL、CMOS等集成电路要求的多种输出。设计人员要弄清楚设计的实际要求，只有这样，才能为特定的应用选择正确的输出类型。
12 波形要求
VCXO还对对称性、逻辑电平、上升时间、下降时间等波形参数作了规定。现有VCXO产品可满足TTL、ECL、CMOS等集成电路的波形参数要求。对上升时间、下降时间和对称性要求十分严格时，要特别注意负载的大小和基准电平的高低，以免对厂商给出的参数值造成误解。