VCXO压控振荡器发展历史
电压控制晶振振荡器（VCXO）
电压控制晶振振荡器（VCXO），是通过施加外部
控制电压使振荡频率可变或是可以调制的石英晶振振荡器。
在典型的VCXO中，通常是通过调谐电压改变变容二极管的电容量来“牵引”石英晶振振子
频率的。
VCXO允许频率控制范围比较宽，实际的牵引度范围约为±200ppm甚至更大。
如果要求VCXO的输出频率比石英晶振振子所能实现的频率还要高，
可采用倍频方案。扩展调谐范围的另一个方法是
将晶振振荡器的输出信号与VCXO的输出信号混频。
与单一的振荡器相比，这种外差式的两个振荡器信号调谐范围有明显扩展
在移动通信基地站中作为高精度基准信号源使用的VCXO代表性
产品是日本精工·爱普生公司生产的分析图
VG－2320SC。这种采用与IC同样塑封的4引脚器件，
内装单独开发的专用IC，器件尺寸为12.6mm×7.6mm×1.9mm，体积为0.19?。
其标准频率为12～20MHz，电源电压为3.0±0.3V，工作电流不大于2mA，
在－20～＋75℃范围内的频率稳定度≤±1.5ppm，
频率可变范围是±20～±35ppm，启动振荡时间小于4ms。
金石集团生产的VCXO，频率覆盖范围为10～360MHz，
频率牵引度从±60ppm到±100ppm。
VCXO封装发展趋势是朝SMD方向发展，
并且在电源电压方面尽可能采用3.3V。
日本东洋通信机生产的TCO－947系列片式VCXO
早在90年代中期前就应用于汽车电话系统。
该系列VCXO的工作频率点是12.8MHz、13MHz、14.5MHz和15.36MHz，
频率温度特性±2.5ppm/－30～＋75℃，频率电压特性±0.3ppm/5V±5％，
老化特性±1ppm/年，内部采用SMD/SMC，并采用激光束和汽相点焊方式封装，
高度为4mm。日本富士电气化学公司开发的个人手持电话系统（PHS）
等移动通信用VCXO，共有两大类六个系列，为适应SMT要求，
全部采用SMD封装。Saronix的S1318型、Vectron国际公司的J型、
Champion技术公司的K1526型和Fordahi公司的DFVS1－KH/LH等VCXO，
均是表面贴装器件，电源电压为3.3V或5V，
可覆盖的频率范围或最高频率分别为32～120MHz、155MHz、2～40MHz和1－50MHz，
牵引度从±25ppm到±150ppm不等。MF电子公司生产的T－VCXO系列产品尺寸为5mm×7mm，
曾被业内认为是外形尺寸最小的产品，但这个小型化的记录很快被打破。
目前新推出的双频终端机用VCXO尺寸仅为5.8mm×4.8mm，
并且有的内装2只VCXO。Raltron电子公司生产的VX－8000系
列表面贴装VCXO，采用引线封装时高度为0.185英寸，
采用扁平封装时仅为0.15英寸，工作频率可在1～160MHz内选择，
标准频率调整范围为±100ppm，线性度优于±10％，
稳定度优于±25ppm/0～70℃，老化率为±2ppm/年，
输出负载达10个LSTTL（单价达10美元以上）。
于1998年7月上市的单价2000日元的UCV4系列压控振荡器（VCO），
面向全球移动通信系统（GSM）和个人数字蜂窝电话（PDC），
可用频率范围为650～1700MHz，电源电压为2.2～3.3V，
尺寸仅为4.8mm×5.5mm×1.9mm，体积为0.05?，重量0.12g。
日本精工·爱普生公司利用ST切型晶片制作的声表面波（SAW）谐振器（Q≌2000），
型号为FS－555，用4.8mm×5.2mm×1.5mm陶瓷容器包封，
振荡频率范围达250～500MHz，频率初始偏差为±25～100ppm，
在－20～60℃范围内的频率稳定度是±27ppm，老化率为±10ppm/年。
利用FS－555组成的压控SAW振荡器
欲扩大频率调节范围，可加大串联电感Lo的电感量。
由于SAW谐振器的频率可达2GHz以上，为压控SAW振荡器（VCSO）的高频化提供了一条重要
途径。
很多采购在购买晶振的时候都会问到，晶振起什么作用。石英晶振和到陶瓷晶振有什么区
别，那个质量更好等等。
晶振在应用具体起到的作用，微控制器的时钟源可以分为两类：基于机械谐振器件的时钟
源，如晶振、陶瓷谐振器槽路；RC（电阻、电容）振荡器。一种是皮尔斯振荡器配置。
晶振适用于晶振和陶瓷谐振槽路。另一种为简单的分立RC振荡器。基于晶振与陶瓷谐
振槽路的振荡器通常能提供非常高的初始精度和较低的温度系数。RC振荡器能够快速启动
，成本也比较低，但通常在整个温度和工作电源电压范围内精度较差，会在标称输出频率
的5%至50%范围内变化。但其性能受环境条件和电路元件选择的影响。需认真对待振荡器
电路的元件选择和线路板布局。在使用时，陶瓷谐振槽路和相应的负载电容必须根据特定
的逻辑系列进行优化。具有高Q值的晶振对放大器的选择并不敏感，但在过驱动时很容易
产生频率漂移（甚至可能损坏）。影响振荡器工作的环境因素有：电磁干扰（EMI）、机
械震动与冲击、湿度和温度。这些因素会增大输出频率的变化，增加不稳定性，并且在有
些情况下，还会造成振荡器停振。上述大部分问题都可以通过使用振荡器模块避免。这些
模块自带振荡器、提供低阻方波输出，并且能够在一定条件下保证运行。最常用的两种类
型是晶振模块和集成RC振荡器（硅振荡器）。晶振模块提供与分立晶振相同的精度。硅振
荡
晶振器的精度要比分立RC振荡器高，多数情况下能够提供与陶瓷谐振槽路相当的精度
。
选择振荡器时还需要考虑功耗。分立振荡器的功耗主要由反馈放大器的电源电流以及
电路内部的电容值所决定。CMOS放大器功耗与工作频率成正比，可以表示为功率耗散电容
值。比如，HC04反相器门电路的功率耗散电容值是90pF。在4MHz、5V电源下工作时，相当
于1.8mA的电源电流。再加上20pF的晶振负载电容，整个电源电流为2.2mA。陶瓷晶振槽路
一般具有较大的负载电容，相应地也需要更多的电流。相比之下，晶振模块一般需要电源
电流为10mA ~60mA。硅振荡器的电源电流取决于其类型与功能，范围可以从低频（固定）
器件的几个微安到可编程器件的几个毫安。一种低功率的硅振荡器，如MAX7375，工作在
4MHz时只需不到2mA的电流。在特定的应用场合优化时钟源需要综合考虑以下一些因素：
精度、成本、功耗以及环境需求。
硅机电振荡器，可编程晶振的出现让不少石英晶体生产厂家震撼和恐惧，因为这款可编程
的晶体出现会直接威胁到石英晶振生产商的饭碗。但是以千赫石英晶体表晶为主要生产的
厂家到不是很担心，因为目前的硅机电晶体替代技术还没法把时钟晶体表晶系列给替代，
因此以千赫为主要生产的工厂目前完全不担心。
4月20日，美国初创公司SiTime在北京宣布，推出可代替传统石英振荡器的SiT11xx系列
MEMS First振荡器(硅机电振荡器)。SiT11xx系列提供1MHz～125MHz输出频率，适合数玛
相机、游戏机、机顶盒、MP3播放器等各类消费电子产品，汽车电子及工业产品应用。
SiTime的振荡器在-40℃～85℃温度变化范围内提供50ppm～100ppm的频率精度，而操作电
压仅在3.3V、2.5V或1.8V。SiTime目前已经可以提供样片，预计9月量产出货。SiTime公
司还宣布和香港先思行有限公司(AV Concept Limited)签定中国大陆及香港地区独家销售
代理权。
在很多数字集成电路中都要用到实时时钟( RTC, Real Time Clock ) , 而确保RTC工作
计时正确的关键部分就是32 .768KHZ的晶体振荡器电路. 本文先容了集成32.768KHZ晶体
振荡电路的设计方法及留意事项, 并用Matlab验证了理论分析, 用Cadence Spectre 仿
真了电路.
1 电路结构
如图1 所示是晶振的整体电路.R1为反相器invl提供偏置,使其中的MOS管工作在饱和
区以获得较大的增益;C1,C2和杂散电容一起构成晶体的电容负载, 同时它们和反相器invl
一起可以等效为一负阻, 为晶体提供其振荡所需要的能量; R2用来降低对晶体的驱动能量
, 以防止晶体振坏或出现异常; 反相器inv2对invl的输出波形整形并驱动负载.
图2 所示为晶体的等效电路,Cp是晶体两个引脚间的电容, 对于不同的晶体, 其值在
2~ 5pf之间; Rs是晶体的等效串连电阻, 其值表示晶体的损失;Cs和Ls分别为晶体的等效
串连电容和电感, 这两个值决定了晶体的振荡频率.
2 电路原理分析
图1 所示的晶振电路假如满足巴克豪林准则就可以振荡. 从负阻的角度来分析电路的
工作原理.提供负阻的电路如图3(a)所示, 由反相放大器和表晶两真个负载电容构成.
M1可以替换图1中的invl,忽略沟道长度调制效应、体效应和晶体管的寄生电容. M1的漏电
流即是(-I=/C1s)gm ,所
因此
对于S=jw加, 此阻抗由一个即是-gm/(ClCZw2)的负电阻串连C1 和C2组成(图3(b))
如图4 所示, 将表晶和放大器的偏置电阻置于M1 的栅漏两端就构成了前面所述的晶
振电路,它可以等效为右边的串连谐振电路, 假如要维持电路振荡,必须保证Zc的实部也就
是负阻部分的︱Rosc︱≥Rso其中
这就对反相放大器的gm的大小提出了要求. 分析了gm,的极大值和极小值, gm只有取中间
值, 得到的等效负阻的尽对值才大于表晶的串联电阻, 才能够维持晶体的振荡.
设计反相器时, 对gm的取值应该加以留意. 尤其是对32.768KHZ的晶振, 由于其Rs值很
大,gm设置不当很轻易导致晶体不振荡. 在设置了合适的电路参数值的情况下, 使用
Matlab画出(3)式中Zc相对于gm的轨迹图,如图5所示,横轴是Zc的实部( 电阻部分),纵轴是
Zc的虚部(电容部分). 这里使用晶体Rs最大值为50kΩ.图中竖线对应实轴上的值为50kΩ,
也就是说电路可以振荡时gm必须落在竖线左边的半圆上. 竖线与半圆的两个交点分别是gm
的最大值和最小值.
3 电路设计及仿真
实际电路按照图1搭建,除了晶体和C1 ,C2的固定部分之外的其它元器件都被集成在电
路内部, 器件模型选用的0.25um模型.在设置电路参数时有几点是必须留意的.
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