具有電壓控制功能的頻率元件,我們都知道叫做VCXO石英晶振,其制造技術(shù)和工藝相對(duì)普通的振蕩器,會(huì)比較復(fù)雜一些,使用更多比較先進(jìn)的技術(shù)生產(chǎn).越來(lái)越多的生產(chǎn)廠(chǎng)家們,需要用到VCXO晶振,也促進(jìn)了這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展,那么快如何開(kāi)始著手去了解VCXO石英晶振呢?當(dāng)然是從VCXO晶振的參數(shù)以及一些重要的參數(shù)指標(biāo)入手,本文的主要目的就是帶大家去認(rèn)識(shí)VCXO石英晶振的技術(shù)指標(biāo).
VCXO(壓控晶體振蕩器)是一種晶體振蕩器,它包括變?nèi)荻O管和相關(guān)電路,允許通過(guò)在該二極管上施加電壓來(lái)改變頻率.這可以通過(guò)簡(jiǎn)單的時(shí)鐘或正弦波晶體振蕩器,TCXO(產(chǎn)生TC/VCXO-溫度補(bǔ)償電壓控制晶體振蕩器)或烤箱控制類(lèi)型(產(chǎn)生OC/VCXO恒溫箱控制的電壓晶體振蕩器)來(lái)實(shí)現(xiàn).VCXO有幾個(gè)特點(diǎn).在生成VCXO規(guī)范時(shí),這些適用于定義固定頻率晶體振蕩器的特性.VCXO特有的規(guī)范中的主要內(nèi)容如下:
控制電壓-這是施加到VCXO石英晶振輸入端子的變化電壓,導(dǎo)致頻率變化.它有時(shí)被稱(chēng)為調(diào)制電壓,特別是如果輸入是AC信號(hào);
偏差-這是控制電壓變化引起的頻率變化量.例如.5伏控制電壓可能導(dǎo)致100ppm的偏差,或0至+5伏控制電壓可能導(dǎo)致150ppm的總偏差;
傳遞函數(shù)(有時(shí)稱(chēng)為斜率極性)-表示頻率變化的方向與控制電壓的關(guān)系.正傳遞函數(shù)表示增加的正控制電壓的頻率增加,如圖1A所示.相反,如果頻率隨著更正(或更負(fù))控制電壓而減小,如圖1B所示,傳遞函數(shù)是負(fù).

控制電壓

線(xiàn)性度-普遍接受的線(xiàn)性定義是MIL-PRF-55310中規(guī)定的.它是頻率誤差和總偏差之間的比率,以百分比表示,其中頻率誤差是從通過(guò)輸出頻率與控制電壓的曲線(xiàn)繪制的最佳直線(xiàn)的最大頻率偏移.如果石英晶體振蕩器的規(guī)格要求線(xiàn)性度為±5％且實(shí)際偏差總共為20kHz,如圖2所示,則輸出頻率與控制電壓輸入的曲線(xiàn)可能會(huì)相差±1kHz(20kHz±5％).最佳直線(xiàn)”A”.這些限制用”B”和”C”行表示.”D”代表VCXO的典型曲線(xiàn),其表現(xiàn)出±5％的線(xiàn)性.

在圖3中,最佳直線(xiàn)”A”的最大偏差為-14ppm,總偏差為100ppm,因此線(xiàn)性度為±14ppm/100ppm=±14％.

產(chǎn)生圖2所示特性的VCXO石英晶振采用超突變結(jié)變?nèi)荻O管,偏置以適應(yīng)雙極性(±)控制電壓.產(chǎn)生圖3特性的VCXO使用具有施加的單極控制電壓的突變結(jié)變?nèi)荻O管(在這種情況下為正).良好的VCXO設(shè)計(jì)要求電壓-頻率曲線(xiàn)平滑(無(wú)間斷)和單聲道.所有Vectron VCXO都具有這些特性.

調(diào)制速率(有時(shí)稱(chēng)為偏差率或頻率響應(yīng))-這是控制電壓可以改變的速率,從而導(dǎo)致相應(yīng)的頻率變化.通過(guò)施加峰值等于指定控制電壓的正弦波信號(hào),解調(diào)VCXO的輸出信號(hào),并以不同調(diào)制速率比較解調(diào)信號(hào)的輸出電平來(lái)測(cè)量.調(diào)制速率由Vectron定義為最大調(diào)制頻率,它產(chǎn)生的解調(diào)信號(hào)在100dB調(diào)制信號(hào)的3dB范圍內(nèi).雖然非晶體控制的VCO可以以非常高的速率進(jìn)行調(diào)制(輸出頻率大于10MHz時(shí)大于1MHz),但VCXO的調(diào)制速率受到晶體物理特性的限制.雖然VCXO壓控晶振的調(diào)制輸入網(wǎng)絡(luò)可以擴(kuò)展到在100kHz以上產(chǎn)生3dB響應(yīng),但由于晶振,解調(diào)信號(hào)在調(diào)制頻率大于20kHz時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)5-15dB的幅度變化.
斜率/斜率線(xiàn)性/增量靈敏度-這可能是一個(gè)令人困惑的區(qū)域,因?yàn)檫@些術(shù)語(yǔ)經(jīng)常被誤用.如果要將斜率除以總控制電壓擺幅,則斜率應(yīng)該被稱(chēng)為平均斜率.對(duì)于圖2所示的VCXO,平均斜率為-20kHz/10伏=-2kHz/伏.增加靈敏度,通常誤稱(chēng)斜率線(xiàn)性度意味著頻率與控制電壓的增量變化.
因此,雖然該示例中的平均斜率是每伏特-2kHz,但是曲線(xiàn)的任何段的斜率可以與-2kHz/伏相當(dāng)大.事實(shí)上,對(duì)于最佳直線(xiàn)線(xiàn)性度為±1％至±5％的VCXO,增量靈敏度約為(非常接近)最佳直線(xiàn)線(xiàn)性度的10倍.因此,具有±5％最佳直線(xiàn)線(xiàn)性度的VCXO可以在每伏特的基礎(chǔ)上表現(xiàn)出±50％的斜率變化.因此,讀取“斜率:2kHz/伏特±10％”的規(guī)范需要澄清,因?yàn)樗赡芤馕吨骄甭驶蛟隽快`敏度.如果它旨在定義平均斜率,它只是指定18kHz到22kHz的總偏差,并且更恰當(dāng)?shù)卣f(shuō)明了“總偏差:20kHz”
但是,如果預(yù)計(jì)每增量伏特的頻率變化必須介于1.8kHz和2.2kHz之間,則高線(xiàn)性VCXO被指定為±10％增量靈敏度與±1相關(guān).1％最佳直線(xiàn)線(xiàn)性度.該規(guī)范的元素應(yīng)為“增量靈敏度:每伏2kHz±10％”.
其他設(shè)計(jì)考慮因素:
一般注意事項(xiàng)-雖然任何類(lèi)型的晶體振蕩器都是如此,但對(duì)于VCXO而言,用戶(hù)不要過(guò)度指定產(chǎn)品.VCXO晶體振蕩器的特殊問(wèn)題是增加的偏差導(dǎo)致穩(wěn)定性降低,這可能導(dǎo)致需要更寬的偏差,進(jìn)一步降低穩(wěn)定性,導(dǎo)致所需偏差的螺旋式增加.
鎖相-當(dāng)VCXO用于鎖相環(huán)應(yīng)用時(shí),偏差應(yīng)始終至少與VCXO本身及其鎖定的參考或信號(hào)的組合不穩(wěn)定性一樣大.Vectron生產(chǎn)一系列VCXO,特別適用于鎖相環(huán)應(yīng)用(在隨后的頁(yè)面中有描述).但是,如果系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)穩(wěn)定性要求比該產(chǎn)品系列中的更嚴(yán)格,則可能需要TC/VCXO.對(duì)于最高穩(wěn)定性開(kāi)環(huán)要求,適當(dāng)?shù)恼袷幤骺梢允谴薱ata-log的TCXO晶振或OCXO晶振部分中描述的那些,包含窄偏差VCXO選項(xiàng),而不是VCXO部分中描述的那些.
基本振蕩器頻率-基本模式晶體(通常為10-25MHz)允許最大的偏差,而第三泛音晶體(通常為20-70MHz)允許偏差約為適用于基波的1/9.因此,所有寬偏差VCXO石英晶振(偏差大于±100到±200ppm)都使用基本晶體;較窄的偏差VCXO可以使用基模或第三泛音晶體,其選擇通常取決于線(xiàn)性和穩(wěn)定性等規(guī)格.很少有較高的泛音,因此更高頻率的晶體可用于VCXO.因此,輸出頻率高于或低于適當(dāng)晶振頻率的VCXO包括倍頻器或分頻器.
穩(wěn)定性-石英晶體是一種高Q器件,是晶體振蕩器的穩(wěn)定性決定元素.它固有地抵抗被“拉”(偏離)其設(shè)計(jì)頻率.為了產(chǎn)生具有顯著偏差的VCXO晶振,振蕩器電路必須“去Q”.這導(dǎo)致晶體在其頻率與溫度特性,老化特性及其短期穩(wěn)定性(和相關(guān)的相位噪聲)特性方面的固有穩(wěn)定性降低.因此,用戶(hù)的最佳利益是不要指定比絕對(duì)要求更寬的偏差.

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