压控晶体振荡器是石英晶体振荡器的一种, 主要用于调频及锁相技术 。具有传输性能好、抗干扰性强 、节省功率等优点。
随着电子技术日新月异的发展, 石英晶体振荡器在各个领域的应用越来越广泛 ,它不仅大量地应用于通讯、导航、雷达、宇航以及频标时标信号源的整机和设备中, 近年来还被广泛地应用于民用消费类产品,如石英钟、电子手表及彩色电视等。压控晶体振荡器是石英晶体振荡器的一种, 主要用于调频及锁相技术 。具有传输性能好、抗干扰性强 、节省功率等优点 , 因此, 许多地面移动通讯设备、机载通讯设备都采用调频制,压控晶体振荡器就是其中一个重要部件。
晶体振荡器作为一种高稳定频率源被广泛应用在各种仪器设备中。其中，压控晶体振荡器由于具有频率可调的特点，成为各种接收机和应答机中不可或缺的关键部件。在这些设备中，为了补偿晶振长期老化、 收发信号间多普勒频移等因素的影响，通常要求压控晶振具有较宽的压控范围; 并且，为了适应野外、 空间等工作环境，还要求在宽温范围内具有良好的频率温度稳定性。
压控晶振的频率温度稳定性由石英谐振器和振荡电路两方面的温度特性引起，通常以石英谐振器的温度特性为主。对于高频宽压控晶振，经常会出现晶振的温频特性相对于石英谐振器的温频特性出现明显偏移和恶化的情况。如果将该晶振用于应答机中，将会减小应答机在宽温下的信号搜索范围，降低使用性能。
压控晶振中常使用 AT 切石英谐振器，通过在振荡回路中引入一个可调元件，来实现振荡频率随压控电压调节的功能。可调元件通常为变容二极管。变容管是一种电容可以随着外加电压而改变电容值的元件，通过改变加在变容管上的电压，使得石英谐振器的负载电容发生变化，从而谐振回路的谐振频率随之变化，达到压控的目的。
用外加电压对晶振的频率进行控制 ,这就是压控晶振, 压控频偏和压控线性是压控晶振要解决的2 个主要问题, 下面介绍的一种压控晶振 ,中心频率为 2 . 048 MHz/2V ,压控频偏为 100 ppm∕( 2V ±2V),频率稳定度为5 ×10-6/ ( 0 ～ 70 ℃), 输出波形为方波,体积为20mm×13mm ×8mm。
晶体谐振器的选择
石英晶体谐振器作为压控晶体振荡器中的关键元件 ,其指标对压控晶振的压控频偏有很大影响。将晶体谐振器与一负载电容 CL 串联 , 并忽略谐振器的损耗,则谐振器的相对频率偏移为:ΔfLfR=Cq2/(C0+C L), ( 1)
式( 1) 对 CL 求偏导,得负载电容对频率的牵引率为:S = CLΔf Lf R =-Cq/2( C0+CL) , (2)[1]
由式( 2) 可知增大谐振器的动态电容 Cq 可增大频率牵引率 。但频率牵引率随泛音次数的增加急剧减小。令 Cq1为泛音谐振器的动态电容, 则有 C q =n2×Cq1,可见如果晶体振荡器想获得大的压控频偏,应采用基音谐振器。对于设计的 2 . 048 MHz 电路,如果直接使用 2 . 048 MHz 的基音晶体, 那么谐振器的尺寸就太大了, 无法实现 ,因此采用16 . 384 MHz的基音晶体, 起振后再进行八分频 , 满足指标的同时,大大缩小了体积.
变容二极管的选择
变容二极管作为压控晶振中的关键元件, 其性能和使用方法对振荡器的压控频偏和压控线性影响很大。令变容二极管的结电容为 Cj ,令加在变容二极管两端的反向偏压为 VR ,则有
Cj=K(VR+ ) , (3)
式( 3)中, K 为常数, 为接触电势差, n 为变容指数。变容指数 n 为变容二极管的重要电参数之一 ,它是指在规定的反向偏压下, 双对数坐标中变容二极管的电容随电压的变化斜率 , n 值越大, C-V 特性曲线越陡 。 n 值是反向偏压的函数, 在某一特定偏压下 n 值有一个值 nmax ,此时对应的电压称为中心电压 ,在中心电压下 ,变容二极管的电容称为中心电容。
在压控晶体振荡器中, 晶体与变容二极管的连接方式有串联与并联 2 种,串连时应选择 n =1 的变容二极管 ,并联时应选择 C-V 特性曲线线性变化的变容二极管 ,在设计中采用的是变容二极管与晶体串联的方式。一般来讲由于晶体谐振器的个体特性比较明显,还有变容二极管的特性也不是的一致 ,所以压控晶体振荡器的压控线性严格来讲都要经过调整,通过改变电路的元件值,来改善压控频偏与压控线性度 。例如可以通过对压控电压分压, 改变中心电压值来改善压控线性度, 也可以在变容二极管上串联、并联、或串并联电容来改善压控线性度, 还可以用 2 个变容二极管背靠背连接来改善压控线性度,在实际应用中可以视情况本着简化电路, 节约成本的原则而定。变容二极管作为压控晶体振荡器中的关键元件,选择时应注意以下几点 : ① 变容二极管的中心电容要合适 ; ②变容二极管的 Cj ～ VR 特性的平均斜率要足够大; ③变容二极管的 Cj ～ VR 特性曲线的线性要能满足要求 。
在设计的 2 . 048 MHz 电路中 ,我们选用了型号为 HVU417C 的变容二极管, 表 1 是试验过程中 5 只晶振的压控指标 。从试验结果可以看出 , 无论是压控频偏还是压控对称性 、压控线性均能满足指标 ,且电路一致性很好, 适宜大批量生产。
压控电压变大时 ,振荡频率变高 ,压控电压变小时, 振荡频率变低 , 这种关系称为正斜率 。这种电压控制回路在实际应用比较常见 ,另外还有一些在实际应用中比较少见的电压控制回路 ,下面简要介绍 2 种。
具有负斜率特性的压控回路
实际应用中有时需要一种负斜率的压控特性,即压控电压变大, 振荡频率变低 , 压控电压变小, 振荡频率变高 。加在变容二极管两端的反向偏压 VR ≈ V0 -VC ,当 VC 增大时 VR减小,变容二极管的结电容变大,振荡频率降低; 反之,VC 减小时 VR 增大,变容二极管的结电容变小,振荡频率升高。
有提升电压的压控回路
有时压控晶振指标给出的压控电压范围很窄,需要的压控频偏范围却很宽 ,而且对称性的要求也很严格 ,这时由于给出的中心电压很低,不容易满足上述指标,利用电路手段提高中心电压.
晶振的温频特性由石英谐振器的温频特性和振荡电路的温频特性两部分组成。其中，石英谐振器是晶振中的关键元器件，对于一定的切型和切角，具有相应的频率温度特性 。
通常情况下，晶振电路中各种元器件温频特性的影响较小。因此，晶振的温频特性与其内部石英谐振器的温频特性较为接近。但当晶振压控范围过宽时，振荡电路中各元器件温频特性的影响加大。而且，为了保证谐振回路的正常工作，通常会使用较大的激励功率，结果导致晶振的温度特性变差。对于高频压控晶振，这种现象更为突出。虽然，通过温补或恒温等措施可以改善压控晶振的温频特性，但是会显著增加电路的复杂度和功耗。因此，为了改善高频压控晶振的温频特性，需要采取更加简便有.
合适的压控范围
压控晶振的频率展宽是以牺牲谐振回路的品质因数为代价的。当压控晶振的压控范围较大时，在不同压控范围下，振荡电路中元器件对晶振温频特性的影响明显不同。压控晶振温频曲线的高低温翻转点相对于石英谐振器发生了的变化。并且，不同压控范围下，晶振和振荡电路的温频特性有明显差异。减小振荡电路的压控范围可以改善晶振的温频特性。所以，在压控范围满足应用要求的情况下，应适当调节频率展宽网络的参数，不要过分展宽，以免引起晶振温频特性的急剧恶化。
合理的激励功率
AT 切石英谐振器具有较明显的幅频效应，其激励电流与振荡频率之间存在如下关系Δf/f0 = Di2 q ( 8)
式中: Δf/f0 ———振荡频率的相对变化; D———电流常数; iq———石英谐振器的激励电流。
如果石英谐振器的激励过大，会导致晶振频率稳定度下降。实际上，石英谐振器的频率温度曲线并不是理想的三次曲线，经常会存在一些跳点。当激励偏大时，这些跳点的幅度就会变大，位置也可能发生变化，使晶体的温频曲线发生明显变形。并且，振荡电路的激励过大，也会使电路中其它元件的影响加大，从而进一步恶化晶振的频率温度稳定性。
石英谐振器的激励为 100μW 时，晶振频率温度稳定性为 ± 19． 43 × 10 － 6，激励为 500μW时晶振的频率温度稳定性为 ± 32． 17 × 10 － 6。激励为 500μW 时，晶振的高低温翻转点分别为 70℃ 和－ 40℃ ，而激励为 100μW 时，晶振的高低温翻转点分别为 60℃ 和 － 30℃。可见，减小激励可有效提高晶振的频率温度稳定性。因此，在设计高频宽压控晶振时，应尽量减小振荡电路对石英谐振器的激励，避免由于激励过大而引起的晶振频率稳定度下降问题.
