具有電壓控制功能的頻率元件,我們都知道叫做VCXO石英晶振,其制造技術和工藝相對普通的振蕩器,會比較復雜一些,使用更多比較先進的技術生產.越來越多的生產廠家們,需要用到VCXO晶振,也促進了這個領域的發展,那么快如何開始著手去了解VCXO石英晶振呢?當然是從VCXO晶振的參數以及一些重要的參數指標入手,本文的主要目的就是帶大家去認識VCXO石英晶振的技術指標.
VCXO(壓控晶體振蕩器)是一種晶體振蕩器,它包括變容二極管和相關電路,允許通過在該二極管上施加電壓來改變頻率.這可以通過簡單的時鐘或正弦波晶體振蕩器,TCXO(產生TC/VCXO-溫度補償電壓控制晶體振蕩器)或烤箱控制類型(產生OC/VCXO恒溫箱控制的電壓晶體振蕩器)來實現.VCXO有幾個特點.在生成VCXO規范時,這些適用于定義固定頻率晶體振蕩器的特性.VCXO特有的規范中的主要內容如下:
控制電壓-這是施加到VCXO石英晶振輸入端子的變化電壓,導致頻率變化.它有時被稱為調制電壓,特別是如果輸入是AC信號;
偏差-這是控制電壓變化引起的頻率變化量.例如.5伏控制電壓可能導致100ppm的偏差,或0至+5伏控制電壓可能導致150ppm的總偏差;
傳遞函數(有時稱為斜率極性)-表示頻率變化的方向與控制電壓的關系.正傳遞函數表示增加的正控制電壓的頻率增加,如圖1A所示.相反,如果頻率隨著更正(或更負)控制電壓而減小,如圖1B所示,傳遞函數是負.

控制電壓

線性度-普遍接受的線性定義是MIL-PRF-55310中規定的.它是頻率誤差和總偏差之間的比率,以百分比表示,其中頻率誤差是從通過輸出頻率與控制電壓的曲線繪制的最佳直線的最大頻率偏移.如果石英晶體振蕩器的規格要求線性度為±5％且實際偏差總共為20kHz,如圖2所示,則輸出頻率與控制電壓輸入的曲線可能會相差±1kHz(20kHz±5％).最佳直線”A”.這些限制用”B”和”C”行表示.”D”代表VCXO的典型曲線,其表現出±5％的線性.

在圖3中,最佳直線”A”的最大偏差為-14ppm,總偏差為100ppm,因此線性度為±14ppm/100ppm=±14％.

產生圖2所示特性的VCXO石英晶振采用超突變結變容二極管,偏置以適應雙極性(±)控制電壓.產生圖3特性的VCXO使用具有施加的單極控制電壓的突變結變容二極管(在這種情況下為正).良好的VCXO設計要求電壓-頻率曲線平滑(無間斷)和單聲道.所有Vectron VCXO都具有這些特性.

調制速率(有時稱為偏差率或頻率響應)-這是控制電壓可以改變的速率,從而導致相應的頻率變化.通過施加峰值等于指定控制電壓的正弦波信號,解調VCXO的輸出信號,并以不同調制速率比較解調信號的輸出電平來測量.調制速率由Vectron定義為最大調制頻率,它產生的解調信號在100dB調制信號的3dB范圍內.雖然非晶體控制的VCO可以以非常高的速率進行調制(輸出頻率大于10MHz時大于1MHz),但VCXO的調制速率受到晶體物理特性的限制.雖然VCXO壓控晶振的調制輸入網絡可以擴展到在100kHz以上產生3dB響應,但由于晶振,解調信號在調制頻率大于20kHz時可能會出現5-15dB的幅度變化.
斜率/斜率線性/增量靈敏度-這可能是一個令人困惑的區域,因為這些術語經常被誤用.如果要將斜率除以總控制電壓擺幅,則斜率應該被稱為平均斜率.對于圖2所示的VCXO,平均斜率為-20kHz/10伏=-2kHz/伏.增加靈敏度,通常誤稱斜率線性度意味著頻率與控制電壓的增量變化.
因此,雖然該示例中的平均斜率是每伏特-2kHz,但是曲線的任何段的斜率可以與-2kHz/伏相當大.事實上,對于最佳直線線性度為±1％至±5％的VCXO,增量靈敏度約為(非常接近)最佳直線線性度的10倍.因此,具有±5％最佳直線線性度的VCXO可以在每伏特的基礎上表現出±50％的斜率變化.因此,讀取“斜率:2kHz/伏特±10％”的規范需要澄清,因為它可能意味著平均斜率或增量靈敏度.如果它旨在定義平均斜率,它只是指定18kHz到22kHz的總偏差,并且更恰當地說明了“總偏差:20kHz”
但是,如果預計每增量伏特的頻率變化必須介于1.8kHz和2.2kHz之間,則高線性VCXO被指定為±10％增量靈敏度與±1相關.1％最佳直線線性度.該規范的元素應為“增量靈敏度:每伏2kHz±10％”.
其他設計考慮因素:
一般注意事項-雖然任何類型的晶體振蕩器都是如此,但對于VCXO而言,用戶不要過度指定產品.VCXO晶體振蕩器的特殊問題是增加的偏差導致穩定性降低,這可能導致需要更寬的偏差,進一步降低穩定性,導致所需偏差的螺旋式增加.
鎖相-當VCXO用于鎖相環應用時,偏差應始終至少與VCXO本身及其鎖定的參考或信號的組合不穩定性一樣大.Vectron生產一系列VCXO,特別適用于鎖相環應用(在隨后的頁面中有描述).但是,如果系統的開環穩定性要求比該產品系列中的更嚴格,則可能需要TC/VCXO.對于最高穩定性開環要求,適當的振蕩器可以是此cata-log的TCXO晶振或OCXO晶振部分中描述的那些,包含窄偏差VCXO選項,而不是VCXO部分中描述的那些.
基本振蕩器頻率-基本模式晶體(通常為10-25MHz)允許最大的偏差,而第三泛音晶體(通常為20-70MHz)允許偏差約為適用于基波的1/9.因此,所有寬偏差VCXO石英晶振(偏差大于±100到±200ppm)都使用基本晶體;較窄的偏差VCXO可以使用基模或第三泛音晶體,其選擇通常取決于線性和穩定性等規格.很少有較高的泛音,因此更高頻率的晶體可用于VCXO.因此,輸出頻率高于或低于適當晶振頻率的VCXO包括倍頻器或分頻器.
穩定性-石英晶體是一種高Q器件,是晶體振蕩器的穩定性決定元素.它固有地抵抗被“拉”(偏離)其設計頻率.為了產生具有顯著偏差的VCXO晶振,振蕩器電路必須“去Q”.這導致晶體在其頻率與溫度特性,老化特性及其短期穩定性(和相關的相位噪聲)特性方面的固有穩定性降低.因此,用戶的最佳利益是不要指定比絕對要求更寬的偏差.

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