具有电压控制功能的频率元件,我们都知道叫做VCXO石英晶振,其制造技术和工艺相对普通的振荡器,会比较复杂一些,使用更多比较先进的技术生产.越来越多的生产厂家们,需要用到VCXO晶振,也促进了这个领域的发展,那么快如何开始着手去了解VCXO石英晶振呢?当然是从VCXO晶振的参数以及一些重要的参数指标入手,本文的主要目的就是带大家去认识VCXO石英晶振的技术指标.
VCXO(压控晶体振荡器)是一种晶体振荡器,它包括变容二极管和相关电路,允许通过在该二极管上施加电压来改变频率.这可以通过简单的时钟或正弦波晶体振荡器,TCXO(产生TC/VCXO-温度补偿电压控制晶体振荡器)或烤箱控制类型(产生OC/VCXO恒温箱控制的电压晶体振荡器)来实现.VCXO有几个特点.在生成VCXO规范时,这些适用于定义固定频率晶体振荡器的特性.VCXO特有的规范中的主要内容如下:
控制电压-这是施加到VCXO石英晶振输入端子的变化电压,导致频率变化.它有时被称为调制电压,特别是如果输入是AC信号;
偏差-这是控制电压变化引起的频率变化量.例如.5伏控制电压可能导致100ppm的偏差,或0至+5伏控制电压可能导致150ppm的总偏差;
传递函数(有时称为斜率极性)-表示频率变化的方向与控制电压的关系.正传递函数表示增加的正控制电压的频率增加,如图1A所示.相反,如果频率随着更正(或更负)控制电压而减小,如图1B所示,传递函数是负.

控制电压

线性度-普遍接受的线性定义是MIL-PRF-55310中规定的.它是频率误差和总偏差之间的比率,以百分比表示,其中频率误差是从通过输出频率与控制电压的曲线绘制的最佳直线的最大频率偏移.如果石英晶体振荡器的规格要求线性度为±5％且实际偏差总共为20kHz,如图2所示,则输出频率与控制电压输入的曲线可能会相差±1kHz(20kHz±5％).最佳直线”A”.这些限制用”B”和”C”行表示.”D”代表VCXO的典型曲线,其表现出±5％的线性.

在图3中,最佳直线”A”的最大偏差为-14ppm,总偏差为100ppm,因此线性度为±14ppm/100ppm=±14％.

产生图2所示特性的VCXO石英晶振采用超突变结变容二极管,偏置以适应双极性(±)控制电压.产生图3特性的VCXO使用具有施加的单极控制电压的突变结变容二极管(在这种情况下为正).良好的VCXO设计要求电压-频率曲线平滑(无间断)和单声道.所有Vectron VCXO都具有这些特性.

调制速率(有时称为偏差率或频率响应)-这是控制电压可以改变的速率,从而导致相应的频率变化.通过施加峰值等于指定控制电压的正弦波信号,解调VCXO的输出信号,并以不同调制速率比较解调信号的输出电平来测量.调制速率由Vectron定义为最大调制频率,它产生的解调信号在100dB调制信号的3dB范围内.虽然非晶体控制的VCO可以以非常高的速率进行调制(输出频率大于10MHz时大于1MHz),但VCXO的调制速率受到晶体物理特性的限制.虽然VCXO压控晶振的调制输入网络可以扩展到在100kHz以上产生3dB响应,但由于晶振,解调信号在调制频率大于20kHz时可能会出现5-15dB的幅度变化.
斜率/斜率线性/增量灵敏度-这可能是一个令人困惑的区域,因为这些术语经常被误用.如果要将斜率除以总控制电压摆幅,则斜率应该被称为平均斜率.对于图2所示的VCXO,平均斜率为-20kHz/10伏=-2kHz/伏.增加灵敏度,通常误称斜率线性度意味着频率与控制电压的增量变化.
因此,虽然该示例中的平均斜率是每伏特-2kHz,但是曲线的任何段的斜率可以与-2kHz/伏相当大.事实上,对于最佳直线线性度为±1％至±5％的VCXO,增量灵敏度约为(非常接近)最佳直线线性度的10倍.因此,具有±5％最佳直线线性度的VCXO可以在每伏特的基础上表现出±50％的斜率变化.因此,读取“斜率:2kHz/伏特±10％”的规范需要澄清,因为它可能意味着平均斜率或增量灵敏度.如果它旨在定义平均斜率,它只是指定18kHz到22kHz的总偏差,并且更恰当地说明了“总偏差:20kHz”
但是,如果预计每增量伏特的频率变化必须介于1.8kHz和2.2kHz之间,则高线性VCXO被指定为±10％增量灵敏度与±1相关.1％最佳直线线性度.该规范的元素应为“增量灵敏度:每伏2kHz±10％”.
其他设计考虑因素:
一般注意事项-虽然任何类型的晶体振荡器都是如此,但对于VCXO而言,用户不要过度指定产品.VCXO晶体振荡器的特殊问题是增加的偏差导致稳定性降低,这可能导致需要更宽的偏差,进一步降低稳定性,导致所需偏差的螺旋式增加.
锁相-当VCXO用于锁相环应用时,偏差应始终至少与VCXO本身及其锁定的参考或信号的组合不稳定性一样大.Vectron生产一系列VCXO,特别适用于锁相环应用(在随后的页面中有描述).但是,如果系统的开环稳定性要求比该产品系列中的更严格,则可能需要TC/VCXO.对于最高稳定性开环要求,适当的振荡器可以是此cata-log的TCXO晶振或OCXO晶振部分中描述的那些,包含窄偏差VCXO选项,而不是VCXO部分中描述的那些.
基本振荡器频率-基本模式晶体(通常为10-25MHz)允许最大的偏差,而第三泛音晶体(通常为20-70MHz)允许偏差约为适用于基波的1/9.因此,所有宽偏差VCXO石英晶振(偏差大于±100到±200ppm)都使用基本晶体;较窄的偏差VCXO可以使用基模或第三泛音晶体,其选择通常取决于线性和稳定性等规格.很少有较高的泛音,因此更高频率的晶体可用于VCXO.因此,输出频率高于或低于适当晶振频率的VCXO包括倍频器或分频器.
稳定性-石英晶体是一种高Q器件,是晶体振荡器的稳定性决定元素.它固有地抵抗被“拉”(偏离)其设计频率.为了产生具有显着偏差的VCXO晶振,振荡器电路必须“去Q”.这导致晶体在其频率与温度特性,老化特性及其短期稳定性(和相关的相位噪声)特性方面的固有稳定性降低.因此,用户的最佳利益是不要指定比绝对要求更宽的偏差.

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