石英晶振是无线通信系统中频率确定元件的绝佳选择.与电感电容,陶瓷,微带和表面声波谐振器等其他选择相比,设计人员非常欣赏石英晶体的高品质因数,合理成本和温度性能.当石英晶体振荡器用于无线设计时,乘法和锁相环电路通常用于扩展无线频谱的实际频率范围.
当指定振荡器中使用的晶体时,在设计过程早期对基本参数进行明智的考虑非常重要.当开发压控晶体振荡器和温补晶体振荡器时,这些参数变得至关重要,因为这些基本选择为这些器件奠定了基础,并影响最终设计的成功.
进行切割
石英在机械,电气和化学性质方面特别适合制造频率控制装置.石英晶体是从石英棒上切割下来的,石英棒在高压釜中生长.锯片切割石英的角度决定了晶体的许多电学性质.
无线应用中最常见的晶体切割角度是自动切割(见图1).以这种方式制造的晶振在相对较高的频率下可用,表现出优异的频率与温度稳定性,并且成本适中.从1兆赫到1千兆赫以上的基本谐振频率是可能的,但是由于价格和其他限制,大多数AT切割晶体被制造成具有1.8到40兆赫之间的基本频率.AT切割晶体的谐振模式(泛音)大约是基模的奇数倍(见图2).为这些泛音指定的晶体通常在24至200兆赫的频率范围内.
图1 由于它具有频率和成本优势，因此AT切割晶体首选用于无线应用
重要规格参数
当指定用于无线设计的晶体时,一些参数特别重要,包括容差,稳定性,温度范围和负载电容.这些参数需要特别考虑,因为它们对于合理的设计至关重要,并且还会影响特定石英晶振的可制造性和成本.
晶体的容差是指室温下与目标频率的最大允许频率偏差,以百万分之几(ppm)表示.例如,具有10Pm频率容差的10MHz晶体可以具有高于或低于10MHz高达100赫兹(10Pm×10MhZ=100赫兹)的实际谐振频率响应.公差默认值范围为30至50ppm低于10ppm的值可根据频率和持有者以更高的价格获得.
晶体稳定性是在基准25℃读数的工作温度范围内允许的频率误差.默认值为50ppm至100ppm,不过稳定性低至10ppm的贴片晶振也是可用的,具体取决于所需的频率和封装.
对于给定的工作模式,晶体的频率与其厚度成反比.高频晶体较薄,对便携式和移动无线应用中通常遇到的冲击和振动更敏感.
无线设计工程师可以使用几个晶体支架.设计灵活性最大的最低成本持有者是HC49U.这种电阻焊接封装是旧的焊接密封HC-18/U的直接替代品.HC80U和FD也是受欢迎的支架型号.
除了无线应用环境的机械要求,设计人员还需要考虑散热要求.大多数无线应用要求晶振能够在-40℃到+85℃的工业温度范围内工作.晶体也可以指定在商业温度范围(0℃到70℃)内使用,对于某些产品,还可以指定在军用温度范围(-55℃到+105℃)内使用.
图2 AT切割晶体的泛音落在基本模式的大约奇数倍
负载电容
负载电容是指定晶体时最容易被忽略的参数之一.在流行的皮尔斯振荡器电路中,晶体两侧都有一个接地电容,负载电容等于两个电容加上Cstray的串联组合.(Cstray是由有源晶振器件的布局,电路板材料以及输入和输出阻抗对电路贡献的电容总和.)
Cstray的一个好的经验法则是5pF.如果用变容二极管代替其中一个电容器,可以通过在变容二极管上施加调谐电压来“拉”频率.这种配置可以作为简单VCXO的基础.如果调谐电压来自热敏电阻网络,可以调整频率以消除温度的影响.这种配置是TCXO振荡器的一种方法.这两种特性的结合称为TCVCXO.
用于基本模式VCXO的HC49U晶体的可拉性规格可能具有以下形式:
CL=20至45pF,可拉性=-100ppm最大值,CL=20至10pF,可拉性=+100ppm最小值.
较小的晶振大约有HC49U一半的可拉性.泛音晶体的可拉性降低1/n2,其中n是泛音模式(即1,3,5等).).
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