VCXO振荡器灵敏度及设计考虑

晶振元件使用在各种类型的电子产品中,如使用在对产品有较高要求的石英晶体振荡器,光是有源晶振就可分为好几种类别,有着不同功能的有源晶振,有带电压的普通有源晶振,电压控制的压控晶体振荡器(VCXO),温度补偿功能的温补晶体振荡器(TCXO),带电压及温度补偿功能的压控温补晶体振荡器(VCTCXO),以及行业中的最高要求高技术的差分晶振等一系列的有源晶振.下面主要介绍下关于压控晶体振荡器

压控晶体振荡器是一种石英晶体振荡器.它包括变容二极管和相关电路.允许通过在该二极管两端施加电压来改变频率.这可以在简单的时钟或正弦波晶体振荡器,TCXO(产生TC/VCXO温度补偿压控晶体振荡器)或烘箱控制型(产生OC/VCXO烘箱控制压控晶体振荡器)中实现.

VCXOs有几个独特的特性.在生成VCXO规范时.除了定义固定频率有源晶振的特性之外.这些规范也适用.VCXOs特有的主要规格如下:

控制电压-这是施加到VCXO输入端的变化电压.导致频率变化.它有时被称为调制电压.尤其是当输入是交流信号时.

偏差-这是由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.或者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)-这表示频率变化对控制电压的方向.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)的控制电压而降低.如图1b所示.传递函数为负.

图1A

图1B

线性-公认的线性定义是MIL-PRF-55310中规定的定义.它是频率误差和总偏差之间的比率.以百分比表示.其中频率误差是通过输出频率与控制电压的曲线图绘制的最佳直线的最大频率偏移.如果振荡器的规格要求线性度为5%.实际偏差为20kHz.如图2所示.输出频率与控制电压输入的曲线可能与最佳直线“A”相差1kHz(20kHz±5%).这些限制用线“B”和“C”表示.“D”表示VCXO振荡器的典型曲线.其线性度在5%以内.

图2

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

图3

产生图2所示特性的VCXO使用超突变结变容二极管.偏置以适应双极()控制电压.产生图3中特性的VCXO使用具有施加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)和单音.所有VectronVCXOs都表现出这些特性.

调制率(有时称为偏差率或频率响应)-这是控制电压变化导致相应频率变化的速率.它是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.并比较不同调制速率下解调信号的输出电平来测量的.Vectron将调制速率定义为产生解调信号的最大调制频率.该解调信号在100Hz调制信号的3db范围内.虽然非贴片晶振控制的VCOs可以以非常高的速率调制(对于大于10MHz的输出频率大于1MHz).但是VCOs的调制速率受到晶体物理特性的限制.虽然VCXO的调制输入网络可以被扩展以产生高于100kHz的3db响应.但是由于晶体的原因.解调的信号在大于20kHz的调制频率下可能表现出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领域.因为这些术语经常被误用.如果要定义总偏差除以总控制电压摆动.斜率实际上应该称为平均斜率.对于图2所示的VCXO.平均斜率为-20千赫/10伏特=-2千赫/伏特.增量灵敏度.通常被误称为斜率线性.意味着频率对控制电压的增量变化.

因此.虽然在这个例子中的平均斜率是-2kHz/伏特.但是曲线的任何部分的斜率可能与-2kHz/伏特大不相同.事实上.对于直线线性度为1%-5%的VCXOs.增量灵敏度大约(非常近似)是直线线性度的10倍.因此.具有5%最佳直线线性度的VCXO可以表现出每伏50%的斜率变化.因此.一个标有"斜率:2kHz/volt10%"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.如果高精度晶振意在定义平均斜率.它只是规定了18kHz到22kHz的总偏差.更恰当地说."总偏差:20kHz-10%."然而.如果预期每一增量电压的频率变化必须在1.8kHz和2.2kHz之间.则高度线性VCXO被指定为10%的增量灵敏度几乎与1%的最佳直线线性相关.规范中的这个元素应该是"增量灵敏度:每伏特2千赫兹10%”

其他设计考虑

稳定性-石英晶体是高Q器件.是晶体振荡器的稳定性决定元素.它固有地抵制被“拉”(偏离)到它的设计频率.为了产生具有显著偏差的VCXO.振荡器电路必须“去Q”.这导致在石英晶振的频率-温度特性、老化特性和短期稳定性(以及相关的相位噪声)特性方面降低晶体的固有稳定性.因此.不指定比绝对要求的偏差更大的偏差符合用户的最佳利益.

锁相-当VCXO用于锁相环应用时.偏差应该总是至少与VCXO本身及其被锁定的参考或信号的组合不稳定性一样大.vectron生产一系列VCXOs.专门用于锁相环应用中(在下面的页面中描述).然而.如果系统的开环稳定性要求比该产品线中的要求更严格.则可能需要TC/VCXO.对于最高稳定性开环要求.合适的振荡器可以是本cata-log的TCXO或OCXO部分中描述的振荡器.包括窄偏差VCXO选项.而不是VCXO部分中描述的振荡器.

基本振荡器频率-基本模式晶体(通常为10-25MHz)允许最宽的偏差.而第三泛音晶振(通常为20-70MHz)允许偏差约为适用于基本原理的1/9.因此.所有宽偏差VCXOs(大于100到200ppm偏差)都使用基本晶体；较窄偏差的VCXOs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.很少有更高的泛音.因此更高频率的晶体在VCXOs中得到应用.因此.输出频率高于或低于适当晶体频率的vcxo包括倍频器或分频器.

一般注意事项——虽然任何类型的晶体振荡器都是如此.但是对于VCXOs来说.用户不要过度指定产品尤其重要.VCXO振荡器的特殊问题是.增加的偏差会导致稳定性下降.这可能导致需要更大的偏差.进一步降低稳定性.导致所需偏差的螺旋式增加.