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石英晶体振荡器的可调性和稳定度

来源：http://konuaer.net 作者：konuaer 2013年08月15

要使振荡器谐调在宽的频率范围内，就会降低其稳定度，因为要使振荡器按要求进行调谐，同时也会使振荡器容易受不合要求的调谐因素影响。调谐范围越宽，就越难以保持高的稳定度。例如，如果设计OCXO 的短期稳定度在某一平均时间为1×10-12，而可调性为1×10-7，则晶体的负载电抗在上述平均时间必须稳定在上1×10-5。要获得这样的稳定度使困难的，因为影响负载电抗的因素有：寄生电容和电感、变容二极管的电容与电压特性的稳定度，以及加在变容二极管上的电压的稳定度。此外，1×10-5 的负载电抗稳定度不仅必须在开始条件下保持，而且在环境条件（温度、振动、辐射等）变化时，也必须保持。
同时，高稳定度10 MHz 的恒温压控晶振的频率调整范围为5×10-7，老化率为2×10-8/y，而宽调谐范围的10 MHz 压控晶振的调谐范围为50 ppm，老化率为2 ppm/y。
振荡器的缩写

从历史上来说，在美国，军事上的需求已成为研究石英振荡器的主要推动力。特别是在早期美国军方资助大部分的研究。按照民间说法，缩写XO 代替CO 的主要原因是，在美国军队里，CO 是“指挥官”的缩写而且由于“crystal”听起来有点象“xtal”。（随后，有人指出，XO 是在军队中是“执行官”的缩写，但这以后，XO 是“石英振荡器”的缩写就逐渐被人接受）。
石英晶体振荡器的分类
以晶体器件的频率温度特性来分类的三种晶体振荡器是：1、 XO，晶体振荡器，这种振荡器没有能够降低晶体频率温度特性的器件（也称为密封式晶体振荡器PXO）。
2、TCXO，温补振荡器，在这种振荡器中，来自温度传感器（热敏电阻）的输出信号被用来产生校正电压，加在晶体网络中的变容二极管上。电抗的变化用以补偿晶体的频率温度特性。模拟的TCXO 在晶体的频率随温度变化的范围内能够提供大概20 倍的改善。
3、 OCXO，恒温控制晶体振荡器，在这种振荡器中，晶体和其他温度敏感元件均装在稳定的恒温槽中，而恒温槽被调整到频率随温度的变化斜率为零的温度上。OCXO能够在晶体频率随温度变化的范围内提供1000 倍以上的改善。

振荡器的等级

振荡器类型*	准确度**	典型应用
晶体振荡器(XO)	10-5~10-4	计算机定时
温度补偿晶体振荡器(TCXO)	10-6	在战术无线电传送中作频率控制
微机补偿晶体振荡器(MCXO)	10-8 ~10-7	频谱展宽系统的时钟
恒温控制晶体振荡器(OCXO)	10-8	导航系统时钟和频率标准，MTI 雷达
小型原子频率标准(Rb，RbXO)	10-9	C3 卫星终端，收发分置和多收发分置雷达
高性能原子频率标准(Cs)	10-12~10-11	战略C3、电子战

振荡器电路类型
在许多振荡器电路中，有三种常用的振荡器电路，它们是皮尔斯振荡电路，考毕兹振荡电路和克拉普振荡电路。这些振荡电路除了频射接地点位置不同外，电路的构成都是相同的。布特勒和修正的布特勒振荡电路也是彼此相似的，每一种电路中的发射极电流就是晶体的电流。门电路振荡器是皮尔斯型的，它使用了一个逻辑门并在皮尔斯振荡器的晶体管位置加了一个电阻。（某些门电路振荡器使用一个以上的门电路。）

    振荡器电路类型的选择取决于以下因素：所要求的频率、稳定度、输入电压和功率，输出功率和波形、可调性、设计的复杂性、成本和晶体器件的特性。
   在皮尔斯系列中，接地点位置对性能有很大的影响。皮尔斯电路的接法相对于寄生电抗和偏置电阻来说，一般要好于其他几种电路，因为它们多半是跨接在电路的电容上，而不是跨接在晶体器件上。它是高稳定度振荡器应用最广泛的电路之一。在考毕兹电路的接法中，较大部分寄生电容出现在晶体的两端，同时偏置电阻也跨接在晶体上，这就会降低性能。克拉普电路的接法很少使用，因为集电极直接于晶体连接，这就很难将直流电压加在集电极上而有不引入损耗或寄生振荡（更详细的内容，见参考文献）。
    虽然皮尔斯系列可以通过把电感与晶体串联起来使它工作在串联谐振上，但是它一般还是工作在“并联谐振”上（参见第3 部分电阻频率与电抗的关系）。布特勒系列通常工作在（或接近）串联谐振上，皮尔斯系列可以被设计用来使晶体电流高于或低于发射极电流情况下进行工作。
    当高稳定性不是主要考虑的问题时，门电路振荡器时数字系统的常用电路。

                                                                     康华尔电子

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