老實說，晶體振蕩器并不是最容易理解的話題。這主要是因為有各種各樣的晶體振蕩器類型以不同的方式為不同的目的做不同的事情。這主要是由于幾乎無窮無盡的應用程序使用。從太空中的衛星通信到軍事和國防，再到電信等等……對晶體振蕩器有很多不同的需求。
 
在這篇文章中，我們將介紹最常見的晶體振蕩器類型，包括
•烤箱控制晶體振蕩器（OCXO）
•溫度補償振蕩器（TCXO）
•壓控振蕩器（VCXO）
•時鐘振蕩器（XO）
•以及每個類別中的一些其他鍵類型
 
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烤箱控制晶體振蕩器 (OCXO)
 
典型溫度穩定性：±1 x 10-7 至 ±1 x 10-9
 
典型老化率：±2 x 10-7/年至±2 x 10-8/年
 
典型功耗：在穩態條件下（在 +25°C 環境溫度下）為 1.5 瓦至 2.0 瓦
 
烤箱控制晶體振蕩器 (OCXO) 是一種晶體振蕩器，由迷你內部烤箱進行溫度控制。這種類型的振蕩器有一個溫度控制電路來保持晶體和其他關鍵部件的溫度一致。
 
當需要 ±1 x 10-8 或更高的溫度穩定性時，通常使用 OCXO。雖然這種類型的振蕩器在溫度與頻率穩定性方面比 TCXO 提高了十倍，但 OCXO 的價格往往更高，功耗也更高。
OCXO電路的溫度特性
 
OCXO 的關鍵是在外部環境溫度發生變化時將晶體和其他一些振蕩器組件保持在一個特定溫度。這可能與冬天的房子有關，其中位于房子內的恒溫器會感應溫度變化并控制熔爐以保持所需的溫度。
 
所需的操作溫度是多少？工作溫度是晶體的轉折點之一（請參閱晶體部分）。在轉折點，頻率與溫度曲線的斜率為零。這意味著即使溫度略有上升或下降，頻率變化也很小。
 
請注意，對于 OCXO，晶體的轉折點溫度必須高于溫度范圍的上限。這是因為如果室外溫度為 +35°C，您無法使用爐子將房屋溫度控制在 +25°C。一般的經驗法則是，您需要晶體的轉折點比 OCXO 振蕩器電路的上限工作溫度高 10°C。
 
對于 OCXO，熱敏電阻（我們將在 TCXO 部分詳細討論）相當于家里的恒溫器。它用于感測晶體和晶體振蕩器電路的溫度。熱源可以是功率晶體管或功率電阻器。所需的最后一個組件是一個比較器電路，用于控制熱源中產生的電量。
 
比較器電路
 
比較器電路由運算放大器和配置為高增益放大器的其他組件（電阻器和電容器）組成。操作溫度稱為“設定點”，由在正常生產過程中選擇的選定值電阻器進行調整。
 
在正常操作期間，熱敏電阻通過更改為稍微不同的電阻值來感應環境溫度變化。然后比較器電路調整產生的功率以使熱敏電阻返回到原始電阻值，并將晶體和電路溫度返回到原始設定點溫度。
 
堅持房屋比較... OCXO 以與房屋類似的方式使用絕緣材料。絕緣用于減少環境溫度變化的影響并減少維持設定點溫度所需的功率量。使用的絕緣越好，保持在設定溫度點所需的功率就越少。當今越來越多的射頻應用需要更低的功率輸入，因此絕緣起著關鍵作用。
 
典型 OCXO 的溫度控制器電路會將設定點溫度保持在 ±1°C 或更低。
雙烤箱 OCXO
 
如果需要更嚴格的穩定性（±1 x 10-10 至 ±5 x 10-11），則可能需要雙烤箱振蕩器 (DOCXO)。 DOCXO 是通過將 OCXO 放入另一個烤箱包裝中制成的。這個外部烤箱將緩沖 OCXO 免受環境變化的影響，兩個溫度控制器的組合可以將設定點溫度保持在 ±0.10°C 以內。
 
使用 DOCXO 的一些最大缺點包括
•它們需要更大的封裝尺寸
•它們消耗更多的電力
•通常更貴
 
在 +25°C 環境下，雙烤箱振蕩器的典型功耗在穩態條件下為 3.0 瓦至 4.0 瓦。
 
由于 OCXO 的老化率為 0.20 ppm/年至 2.0 x 10-8/年，因此需要在 +25°C 下調整頻率以抵消老化效應。大多數 OCXO 具有類似于 TCXO 振蕩器的機械頻率調整。典型調整范圍為 +2 ppm 至 ±0.20 ppm。
 
OCXO 中的石英晶體切割類型
 
晶體切割的類型也將增加振蕩器的穩定性。某些類型的切割在其轉折點處具有不同的頻率與溫度斜率。兩種最常見的切割類型是 AT 和 SC 切割。
 
例如，對于 +80°C 的轉折點，SC 切割晶體的斜率可能為 5 x 10--9/°C，而 AT 型晶體的斜率可能為 1 x 10-8/°C。 80°C 的轉折點。使用相同的溫度控制器，AT 型晶體的頻率變化量是 SC 型晶體的兩倍。溫度穩定性和工作溫度范圍要求決定了所使用的晶體切割類型。
溫控晶體振蕩器 (TCXO)
 
典型溫度穩定性：±0.20 ppm 至 ±2.0 ppm
 
典型老化率：±0.50 ppm/年至±2 ppm/年
 
溫控晶體振蕩器 (TCXO) 的作用類似于 OCXO，因為它們管理晶體振蕩器電路的溫度。但是，也有很多不同之處。
 
TCXO 的基本構建塊是具有大約 ±50 ppm 偏差范圍和溫度敏感網絡的 VCXO。該溫度敏感網絡（溫度補償電路）向變容二極管施加電壓，在工作溫度范圍內的任何溫度下校正 VCXO 的頻率。
 
TCXO 實現的典型溫度穩定性為 ±0.20 ppm 至 ±2.0 ppm。由此我們可以看出，與時鐘振蕩器相比，TCXO 的溫度穩定性提高了大約十倍。
 
TCXO 電路
 
要創建溫度補償電路，您需要一些東西來感應環境溫度。熱敏電阻是大多數 TCXO 中的典型傳感設備。熱敏電阻是電阻器件，其電阻取決于環境溫度。
 
有兩種類型的熱敏電阻
1.具有正系數的：它們的電阻隨著溫度的升高而升高
2.負系數：電阻隨溫度升高而下降
 
典型的溫度補償電路將熱敏電阻和電阻器組合成一個分壓器網絡，以在任何溫度下產生所需的校正電壓。然后將該校正電壓施加到變容二極管。
 
如果溫度補償電路與晶體的溫度曲線完全匹配，則振蕩器的頻率將隨著溫度的變化保持恒定。由于可用晶體的可變性和可用的熱敏電阻系數，這在現實世界中是無法獲得的。每個晶體的溫度穩定性略有不同，并且產生完美網絡區域的確切熱敏電阻系數和值并不總是可用。
 
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通常給定的熱敏電阻組用于生產批次中的所有 TCXO。這將允許將大多數 TCXO 校正到可接受的穩定性。如果需要更嚴格的溫度穩定性，可以在生產過程中調整熱敏電阻，但由于測試時間較長，TCXO 的成本會增加。
 
另一個需要克服的主要問題是晶體溫度穩定性的擾動（與曲線擬合數據的偏差）。這些與平滑溫度曲線的偏差很難補償，如果它們的持續時間很短，則無法補償。如果 TCXO 的溫度穩定性要求太嚴格，則可能必須更換一些晶體并重新開始生產測試。這將增加 TCXO 的成本。
 
由于 TCXO 的老化速率為 0.50 ppm/年至 2.0 ppm/年，因此需要在 +25°C 下調整頻率以抵消老化效應。大多數 TCXO 具有類似于時鐘振蕩器的機械頻率調整功能。典型的調整范圍是±5 ppm。
壓控晶體振蕩器 (VCXO)
 
典型偏差范圍：±10 ppm 至高達 ±2000 ppm。
 
典型老化率：±1 ppm/年至±5 ppm/年
 
VCXO 振蕩器（Voltage-Controlled Crystal Oscillator）是一種晶體振蕩器，其頻率可以通過外部施加的電壓進行調節。 VCXO 在頻率調制 (FM) 和鎖相環 (PLL) 系統中有廣泛的應用。
 
壓控振蕩器的頻率由稱為變容二極管的設備維持。該器件本質上是一個電壓可變電容器。變容二極管的電容與施加的電壓成反比。
 
要了解二極管如何成為電壓可變電容器，首先要考慮什么是電容器。它由兩個由電介質隔開的帶相反電荷的板組成。二極管只不過是一個 P-N 硅結。兩個區域的相對邊緣用作板。反向偏壓迫使電荷遠離其正常區域并形成耗盡層。電壓越大，耗盡層越寬。這增加了板之間的距離，從而降低了電容。
 
為了獲得更大的調諧范圍，一些變容二極管具有超突變結。超突變變容二極管中的摻雜在結附近更密集，這導致耗盡層更窄，電容更大。因此，反向電壓的變化對電容的影響更大。
 
VCXO 的傳遞函數（或斜率極性）是頻率變化方向與控制電壓的關系。這可以是正的（意味著電壓的正變化會導致頻率升高）或負的（意味著電壓的負變化會導致頻率升高）。需要指定此參數或假設某些斜率由制造商。
 
作為一般經驗法則，不要指定超出必要的偏差范圍。這是因為具有較大偏差的 VCXO 在溫度和時間方面的穩定性較差。舉個例子：
•±25 ppm 偏差VCXO 的溫度穩定性在0°C 至+50°C 范圍內可能為±10 ppm，年老化率為±1 ppm。
•±1000 ppm 偏差VCXO 的溫度穩定性在0°C 至+50°C 范圍內可能為±100 ppm，年老化率為±5 ppm。
石英晶體和時鐘振蕩器 (XO)
 
典型老化率：±1 ppm/年至±5 ppm/年
 
典型校準容差：對于 AT 晶振，為 ±10 ppm
 
典型頻率調整范圍：±10 ppm 至 ±20 ppm
 
晶控時鐘振蕩器（XO）是一種利用石英晶體固有的溫度穩定性來實現其溫度穩定性的器件。 該特性通常以百萬分之十 (ppm) 為單位指定。 室溫 (+25°C) 下的初始精度大部分取決于晶體的校準。
 
可以結合頻率調整電子電路，以便可以調整室溫下的標稱頻率以適應老化。 這種頻率調整將通過使用微調電容器實現，典型調整范圍為 ±10 ppm 至 ±20 ppm。 通過這種類型的調整，+25°C 時的頻率通常可以設置為 ±1 ppm。
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