目前我們熟知的晶體振蕩器類型至少有5種，而且每一種的應用產(chǎn)品范圍似乎都差不多，因此一些工程師在選擇Oscillator上容易犯難。特別是TCXO溫補晶振與OCXO恒溫晶振，常常讓人分不清區(qū)別，認為這兩種都是差不多，其實有很大的區(qū)別。晶振廠家金洛鑫電子為大家講解每種振蕩器的特性和原理，以及相關的技術知識，讓工程師和采購更多的了解有源晶振，有利于使用。

石英晶體和時鐘振蕩器：

典型的老化速率范圍為±1ppm/年至±5ppm/年

晶體控制時鐘振蕩器（XO）是實現(xiàn)它的溫度穩(wěn)定性的設備來自石英晶振的固有的溫度穩(wěn)定性（也參見晶體振蕩器）。該特性通常以百萬分之幾（ppm）表示。室溫（+25°C）下的初始精度取決于大部分晶體的校準。AT晶體的典型校準公差為±10ppm?？梢越Y合頻率調(diào)節(jié)電子電路，以便可以調(diào)節(jié)室溫下的標稱頻率以進行老化。這種頻率調(diào)節(jié)可以通過使用微調(diào)電容器來實現(xiàn)，典型的調(diào)節(jié)范圍是±10ppm至±20ppm。通過這種類型的調(diào)整，+25°C的頻率通?？稍O置為±1ppm。

VCXO振蕩器：

典型的老化速率為±1ppm/年至±5ppm/年

VCXO（壓控晶振）是一種晶體振蕩器，其頻率可通過外部施加的電壓進行調(diào)節(jié)。VCXO在頻率調(diào)制（FM）和鎖相環(huán)（PLL）系統(tǒng)中具有廣泛的應用。典型的偏差范圍可以是±10ppm至±2000ppm。允許晶體振蕩器頻率受電壓控制的器件稱為變?nèi)荻O管。該器件本質上是一個電壓可變電容器。變?nèi)荻O管的電容與施加的電壓成反比。

要了解二極管如何成為電壓可變電容器，首先要考慮什么是電容器。它由兩個帶電介質的帶相反電荷的板組成。二極管只不過是PN硅結。兩個區(qū)域的相對邊緣用作板。反向偏置迫使電荷遠離其正常區(qū)域并形成耗盡層。電壓越大，耗盡層越寬，這增加了板之間的距離，這降低了電容。為了獲得更大的調(diào)諧范圍，一些變?nèi)荻O管具有超突變結。超突變變?nèi)荻O管中的摻雜在結點附近更密集，這導致耗盡層更窄，并且電容更大。因此，反向電壓的變化對電容的影響更大。

VCXO的傳遞函數(shù)或斜率極性是頻率變化相對于控制電壓的方向。這可以是正的，意味著電壓的正變化將導致頻率變高或者可以是負的，這意味著電壓的負變化將導致頻率變高。需要指定此參數(shù)，否則制造商將承擔一定的斜率。作為一般經(jīng)驗法則，不要指定比必要更多的偏差范圍。其原因是具有更多偏差的VCXO石英晶體振蕩器將隨溫度和時間變得不穩(wěn)定。舉個例子：

在0°C至+50°C范圍內(nèi)，VCXO的±25ppm偏差的溫度穩(wěn)定性可能為±10ppm，年老化率為±1ppm。在0°C至+50°C范圍內(nèi)，VCXO的±1000ppm偏差的溫度穩(wěn)定性可能為±100ppm，年老化率為±5ppm。

TCXO晶體振蕩器：

典型的老化速率為±0.50ppm/年至±2ppm/年

TCXO是溫度補償晶體振蕩器。TCXO的基本構建模塊是VCXO，偏差范圍約為±50ppm，溫度敏感網(wǎng)絡。該溫度敏感網(wǎng)絡（溫度補償電路）向變?nèi)荻O管施加電壓，該電壓在工作溫度范圍內(nèi)的任何溫度下校正VCXO的頻率。從TCXO獲得的典型溫度穩(wěn)定性為±0.20ppm至±2.0ppm。由此可以看出，TCXO在時鐘振蕩器上的溫度穩(wěn)定性提高了十倍。

要創(chuàng)建溫度補償電路，我們需要一些東西來感知環(huán)境溫度。熱敏電阻是大多數(shù)TCXO晶振中的典型傳感器件。熱敏電阻是電阻器件，其電阻取決于環(huán)境溫度。有兩種類型的熱敏電阻，即具有正系數(shù)的熱敏電阻，這意味著它們的電阻隨著溫度的升高而上升，而負系數(shù)熱敏電阻的電阻隨溫度的升高而下降。典型的溫度補償電路將熱敏電阻和電阻器組合成分壓器網(wǎng)絡，以在任何溫度下產(chǎn)生所需的校正電壓。該校正電壓施加到變?nèi)荻O管。

如果溫度補償電路精確匹配晶體的溫度曲線，振蕩器的頻率將隨著溫度的變化保持恒定。由于可用晶體的可變性和可用的熱敏電阻系數(shù)，這在現(xiàn)實世界中是不可獲得的。每個晶體的溫度穩(wěn)定性略有不同，精確的熱敏電阻系數(shù)和值不能始終提供完美的網(wǎng)絡區(qū)域。通常，給定的熱敏電阻組用于生產(chǎn)批次中的所有TCXO。這將允許大多數(shù)TCXO被修正為可接受的穩(wěn)定性。如果需要更嚴格的溫度穩(wěn)定性，可以在生產(chǎn)過程中調(diào)整熱敏電阻，但由于測試時間較長，TCXO的成本會增加。

要克服的另一個主要問題是晶體溫度穩(wěn)定性的擾動（曲線擬合數(shù)據(jù)的偏差）。這些與平滑溫度曲線的偏差難以補償，如果它們的持續(xù)時間很短，則無法補償。如果TCXO的溫度穩(wěn)定性要求太緊，可能必須更換一些晶體并開始生產(chǎn)測試。這將增加TCXO振蕩器的成本。由于TCXO的老化速率為0.50ppm/年至2.0ppm/年，因此需要將頻率調(diào)整為+25°C以抵消老化效應。大多數(shù)TCXO具有類似于時鐘振蕩器的機械頻率調(diào)整。典型的調(diào)節(jié)范圍為±5ppm。

OCXO晶體振蕩器

典型老化率為±2x10-7/年至±2x10-8/年

該OCXO是一個振蕩器，它是溫度受控（帶恒溫箱的晶體控制振蕩器）。這種類型的振蕩器具有溫度控制電路，以將晶體和關鍵部件保持在恒定溫度。當需要±1×10-8或更高的溫度穩(wěn)定性時，通常使用OCXO。雖然這種類型的振蕩器比TCXO在溫度穩(wěn)定性方面有十倍的改進，但OCXO的價格往往更高并且消耗更多功率。在穩(wěn)態(tài)條件下，+25°C環(huán)境下的典型功率為1.5瓦至2.0瓦。

溫度對OCXO電路的影響：

OCXO振蕩器的關鍵是在外部環(huán)境溫度變化時將晶體和一些其他振蕩器元件保持在一個溫度。這可能與冬季的房屋有關，其中位于房屋內(nèi)的恒溫器檢測到溫度變化，并控制爐子以保持所需的溫度。什么是所需的操作溫度？操作溫度是晶體的轉折點之一（參見晶體部分）。在轉折點，頻率與溫度曲線的斜率為零。這意味著即使溫度略微上升或下降，頻率變化也是最小的。

請注意，對于OCXO，晶體的轉折點溫度必須高于溫度范圍的上限。這是因為如果外部溫度為+35°C，您無法使用爐子將房屋的溫度控制在+25°C。一般的經(jīng)驗法則是，您需要晶體的轉折點比OCXO振蕩器電路的工作溫度高10°C。對于OCXO，熱敏電阻（在TCXO部分中描述）相當于室內(nèi)的恒溫器。它用于檢測晶體和晶體振蕩器電路的溫度。熱源可以是功率晶體管或功率電阻器。所需的最后一個部件是比較器電路，用于控制熱源中產(chǎn)生的功率量。

比較器電路：

該比較器電路由運算放大器和配置為高增益放大器的其他組件（電阻器和電容器）組成。操作溫度稱為設定點，并通過在正常生產(chǎn)過程中選擇的選定值電阻器進行調(diào)節(jié)。在正常操作期間，熱敏電阻通過改變到略微不同的電阻值來感測環(huán)境溫度變化。比較器電路然后調(diào)節(jié)產(chǎn)生的功率以使熱敏電阻返回到原始電阻值并且晶體和電路溫度恢復到原始設定點溫度。

OCXO以類似于房屋的方式使用隔熱材料。絕緣用于減輕環(huán)境溫度變化的影響并減少維持設定點溫度所需的功率。使用的絕緣越好，保持在設定點溫度所需的功率越小。典型OCXO晶振的溫度控制器電路將設定點溫度保持在±1°C或更低。典型OCXO的溫度穩(wěn)定性范圍為±1x10-7至±1x10-9。

雙爐OCXO：

如果需要更嚴格的穩(wěn)定性（±1x10-10到±5x10-11），則需要所謂的雙爐振蕩器。這是通過將OCXO放入另一個烤箱包裝中來實現(xiàn)的。該外部烤箱將緩沖OCXO的環(huán)境變化，兩個溫度控制器的組合可將設定點溫度保持在±0.10°C以內(nèi)。這種振蕩器需要更大的封裝，消耗更多功率，并且價格更高。在+25°C環(huán)境溫度下雙爐振蕩器的典型功率在穩(wěn)態(tài)條件下為3.0瓦至4.0瓦。

由于OCXO的老化速率為0.20ppm/年至2.0x10-8/年，因此需要將頻率調(diào)整為+25°C以抵消老化效應。大多數(shù)OCXO具有類似于TCXO振蕩器的機械頻率調(diào)整。典型的調(diào)節(jié)范圍為+2ppm至±0.20ppm。

OCXO中的石英晶體切割類型：

晶體切割的類型也會增加有源晶振的穩(wěn)定性。某些類型的切口在其轉折點處具有不同的頻率與溫度的斜率。例如，對于+80°C的轉折點，SC型晶體的斜率可能為5x10--9/°C，而對于80型，AT型晶體的斜率可能為1x10-8/°C°C轉折點。使用相同的溫度控制器，AT型晶體的頻率將是SC型晶體的兩倍。溫度穩(wěn)定性和工作溫度范圍將決定所用的晶體類型。