SJ/Z 9155.2-1987石英晶体振荡器 第二部分：石英晶体振荡器使用指南

中华人民共和国电子工业推荐性部标准石英晶体振荡器
第二部分石英晶体振荡器使用指南QuartzcrystalcontroiledoscillatorsSJ/Z9155.2-87
IEC679—2(1981)
Part 2 Guide use to the of quartz crystal controlled oscillators第3章石英晶体振荡器使用指南
1范围
晶体振荡器一般用在通信、导航及数据处理系统中提供满足使用要求的稳定频率。根据工作频率、环境条件及振荡器具体设计，晶体振荡器能提供的频率稳定度约在1×10-*~1×10-1°的范围。晶体振荡器性能特性的规范和/或说明书仍然是制造方和使用方之间产误解和纠纷的原因之一。本指南的宗旨是：结合SJ/Z9155.1一87（IEC679一1）标准《第—部份：综合性资料、试验条件和试验方法》概述晶体振劳器的某些性能特性，同时还提示在晶体振荡器规范中应予列入的重要参数。本指南叙述了晶体振荡器的一般性质和能够得到的性能特性。为了叙述方便起见，把晶体振荡器人为地划分成四大类：普通晶体振荡器（PXO），温度补偿晶体振荡器（TCXO)、压控晶体振荡器（VCXO）和恒温晶体振荡器（OCXO）。注：为了简洁起见，本标准其它地方要经常使用这里所注明的几种缩写符号（诸如：VCXO）。同样，也经常用“握荡器”一词来代替“晶体振荡器”。显然，设计在品级和组合两方面的变化几乎是无止境的，因此把某些特殊振荡器归入这些类别可能有困准。然而研究这些通行类别振荡器的工作原理和性能，对用不同组合的办法评估特殊振荡器的特性是有用的。本标准还对评估振荡器性能十分有用的频率稳定度这一范围及其测量进行了一般性的讨论，此外还讨论了些经常产生误解乃至错误规定的主要性能参数。2术语和定义
本标准所用的专用术语在SJ/Z9155.1-87（IEC679—1）标准中已给出了定义。3晶体振满器特性
3.1概述
一般，晶体振荡器可用放大器（或称增益电路）和正反馈网络所构成的电路来描述。典中华人民共和国电子工业部1988-01-06批准1
型的振荡器电路图如图1所示。
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只要在某些频率环路增益大于1，总环路相移为2n元（n=0，1，2，.），那末该电路就会产生自激振荡，振荡信号电平取决于电路增益特性，而振荡额率则由相位条件确定。输出信号频谱取决于振荡电平、电路元件引入的噪声及电路带宽。对大多数应用来讲，晶体振荡器的频谱宽度是非常窄的，只需考虑中心频率的特性。如果不考虑噪声使信号变坏的那一瞬间，那末振荡的平均频率就始终由环路相位要求来确定。只要环路相位出现一点点扰动就要产生频偏。通常这些扰动可以分两类，即，o+
〇输出
缓冲放大器
a）电路参数的偏离，
b）晶体特性的偏离。
图1晶休振荡器基本电路
第一种偏离是由下列因素造成的：电容器、电感器、电阻器和晶体管的温度系数，这些元器件的老化，这些元器件的电压特性和电流特性以及它们对机构扰动的敏感性。不论什么原因，电路传输相位扰动（△@s）都要引起平均振荡频率的变化：Af=f.20x
式中，f。为标称振荡频率，
Qx为窄带晶体网络的有效Q值。
第二种偏离包括由于温度、温度梯度、激励电平、“频率老化”和机械环境（冲击、加速度及振动）引起的晶体元件特性的改变。为了尽量减少小网络的相位敏感性，晶体振荡器设计中，一般都采用一种可实现的带宽放大电路。另一方面，通常设计晶体反馈网络时都使它有尽可能窄的传输频带，以便使振荡频率基本上只取决于晶体元件的特性。当有频率调整要求时，用引入一可变电抗来改变晶体网络的传输频率，而并不增大传输频率的带宽，这种方法是可取的。当采用这些通行做法，振2
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荡器的频率稳定度就基本取决于晶体元件的特性，而晶体元件应选择下面那样的：a）高Q值，
b）在规定工作温度范围频率变化小ce）频率-激励电平系数小，
d）对机械冲击、加速度和振动的敏感性低，e）老化频率漂移小。
3.2晶体振荡器类型
3.2.1普通晶体振荡器（PXO）
大多数电子设备要在环境温度为0～60℃或一40～+80℃的整个温度范围内工作。通常决定普通晶体振荡器频率稳定度的最重要因素就是晶体元件的频率温度特性。对弯曲振动模式或伸缩振动模式的低频晶体元件，频偏大，基至可达土1×10，而厚度切变振动模式元件（频率大约在1MHz以上），在-40～+90c温度范围频偏可在2士×10~5左右。
如果对频率稳定度要求较高，则必须装备温度补偿电路，或者靠控温装置为晶体元件提供值温环境。
这些类型晶体振荡器的具体特性在后面的条目中研究。晶体元件的温度性能取决于晶片尺寸、振动模式、电极材料、电极厚度、装架方法、特别是晶片相对于晶轴的方位。图2示出了不同方位角AT切石英振子的频率温度特性「1*。有关晶体元件温度特性较完整的讨论请查阅文献【2]*。go1
图2典型的不同方位角的AT切晶体的频率温度特性温度（℃）
通常把作为时间函数的频率变化称为“老化”，这种老化主要由所使用的石英晶体决定【2］。10MHz基频晶体的典型老化率是1×10~7/周，而泛音晶体及充分老化过的晶体，其老化率就更小。在使用普通晶体振荡器的场合，一般说来老化是不那么重要的，因为它跟由*【1]和（2]请见文献目录。
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温度变化而造成的频偏相比是很小的。3.2.2温度补偿晶体振荡器（TCXO）使用温度补偿晶体振荡器（TCXO），可得到比普通晶体振荡器要好的频率稳定度。可见，稳定度的改善是用增加电路复杂性、增大尺寸、增大功耗及提高成本等代价换来的。图3中粗线表示了模拟式温度补偿用的附加电路。把变容二极管和热敏电阻器一一电阻器网络附加到图1所示的基本振荡器上，此外为了给补偿网络提供高稳定基准电压，还附加了一个稳定器。为了减少外部负载对振荡频率的影响，通常要用一个高质量的输出缓冲放大器。
热敏电阻器的阻值跟温度密切相关，因此需精心设计这种温度补偿网络，以便用它合成出来的一与温度成函数关系的电压，加到变容二极管上。这个合成电压使变容二极管电容产生变化，这样也就改变了晶体的负载电容。该负载电容的变化使晶体振荡器按预定方式来改变频率，从而补偿了晶体频率温度特性，以及稳压器、有源器件、电路元件和缓冲放大器任何由温度引起的变化。这种热敏电阻器网络中数值的选择是相当复杂的，通常都需要计算机来确定网络参数。
低湿度系微的
齐纳二极管
[级冲放大器
O输出
采用模拟补偿法的温度补偿晶体振荡器SJ/Z9155.2—87
常用品体的频率温度特性与图2中的曲线B相似。晶体的最佳切角取决于温度范围和所要求的稳定晚。有的最体翻转点之间的频率温度曲线线性较好而频率变化大，有的则线性差但频率变化小，因此在这两种晶体之间作折衷考虑。线性好的曲线容易补偿，但由于频率变化大所以必须补偿得十分精确。其次要考虑的是翻转点的位置，如果在关心的温度范围只有一个翻转点。补偿电抗的合成就简单多了。TCXO有时使另一种补偿方法，即所谓“数字补偿法”。在这种方法中，用敏感元件测定晶体元件温度，再把它转换为数字表示。根据这个温度值，把经计算过的二进制电压数值送入数模转换器换成模拟电压，把它加到变容二极管调谐元件上。这数字技术的若干实施过，如从把电压值参照简表贮存到数字记忆装置，用温度传感器检索，一直到使用微处理机来解析所贮有的电压-温度函数关系式，都是可以做到的。总之，数字逼近法可以对晶体元件实际频率温度特性的形状不作特殊要求，这是因为它在原理上适用于任意函数。理论上的限制只是温度增量的量值化和由数模转换器产生的模拟电压的量值化。图4所示的就是数字补偿的一种方法。
振荡器
热耦合
敏感元件
A/D转换器
数据处理机
程序存贮器
变容二极管
缓冲器和AGC
D/A转换器
图4采用数字补偿法的TCXO
缓冲放大器
O输出
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另外，还可使用混合补偿法：用模拟电路先得到近似的补偿（比如说：改进系数大约为10～20），然而再在较小动态电压范围的数字技术进一步改善频率稳定度性能。图5所示的混合补偿法，允许用比特数较小的数字电路，当然就减少了查表法所需要的记忆单元数目。但是，它仍然要求振荡器内包括模拟和数字两种形式的补偿电路，需要进行大量测量以确定模拟电路元件及数字化程度。
振荡器
热耦合
A转换器
D/A转换器
数据处理机
程序存贮器
缓冲器和AGC
缓冲放大器
O输出
电阻电桥
(模拟)
图5采用混合补偿法的TCXO
一般情况下，模拟技术能在0～60℃或更宽的温度范围，很容易得到土0.5×10-8～士2x10“的相对频偏。而使用10bit或12bit的数字补偿法，只要晶体元件有良好的重现性并采用适当隔热以防止晶体元件产生明显温度梯度，在上述同样的温度范围就能得到土1×10\7的稳定度。
为了获得优良的温度频率稳定度，尤其是温度瞬变状态下的频率稳定度，在晶体、变容二极管和热敏电阻器之间必须要有良好的热跟踪。如果这些元器件之间存在温度变化的话，那么在温度瞬变状态就要产生较大的频率变化（百万分之几）。6
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此外，由于石英片内部的温度梯度，在温度变化时晶体元件呈现瞬变特性，在温度突变时晶体元件也要呈现瞬变特性，在温度突变时频率变化竟可达百分之几。所以一般必须把这些关键元器件跟周围环境进行热隔离。TCXO最常用的温度范围是-20+70℃，在这温度范围士5×10~7稳定度是可实现的。因为TCXO不论电源是否供电，所有元器件都处于同一温度，所以TCXO从接上电源起就有良好的频率准确度。由接通电源产生的微小温升实际上对频率没有什么影响。这是因为TCXO模拟网络的阻抗可以做得很高，只需增加一点功率。（而数字补偿法，则需增加一定功率才能驱动逻辑电路工作）。在某些应用中，这些特性可能是很重要的。虽然选用漏电流非常小甚至可以忽略的变容二极管以防止长期性能退化，但TCXO的老化主要取决于所用的晶体元件，采用基频晶体的TCXO，其老化率可达1×10/星期，对待TCXO和对待下面所讨论的恒温晶体振荡器一样，把任一适当周期的老化加上温度频率偏离就可得到预期的总频偏。例如：温度频率偏离为5×10-，老化率为1×103/周，就可预计出一年的总频偏为1×10-°。
3.2.3压控晶体振荡器（Vcxo）
在许多应用中，是用可变电压加到一种器件上来控制晶体振荡器频率，以产生窄带调频通讯信号或移频键控数据流。像TCXO的频率受一由热敏电阻网络产生的、与温度成函数关系的电压调节那样，VCXO也是用同样的方法来实现上述功能的。主要差别是，变容二极管电压引线接使用者，而不需要热敏电阻网络，其次是使振荡器能够调谐的频率范围要做得相当大。
VCXO能够响应的调制信号带宽将取决于晶体反馈网络的射频带宽和变容二极管驱动电路的基本带宽。调制线性度（即△于与调制电压的函数关系）取决手变容二极管特性及晶体元件参数两者的组合。为了得到良好线性度和/或增加频偏范围，经常需要使用较为完善的反馈网络，例如图6所示。
3.2.4恒温晶体振荡器
3.2.2条讨论的TCXO能在宽环境温度范围提供n×10-7的温度频率稳定度。有些应用需要更高的稳定度，就需要采用恒温晶体振荡器（OCXO）。有关详细说明见SJ/Z9158（IEC314）标准，“石英晶体元件用温度教制装置。》这种频率稳定度的改善，使之过TCXO，是靠增大体积和可观的功率耗散换来的。此外还增加了比基本振荡器（图1）复杂得多的电路，如图7、图8所示。恒温晶体报荡器用的恒温器有两种通用类型，一种是比例控制型，一种是“断续”控制型。后一种是用双金属或水银感温器，按“通”或“断”的方式把热量供给恒温器的。这种恒温控制很简单，一般限于低精度频率控制用，因此本标准就不包括这种恒温器。比例控制型恒温器采用电阻感温器，靠桥式电路连续供热。这种比例式温度控制效果很好，可供高精度频率控制使用。7
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缓冲放大器
图6附有带统和缓性度改善电路的压控晶体振荡器（VCXO).2.4.1单层恒温器
O输出
调谐电压
对大多数应用来讲，图7所示的单层恒温器就足够用了。这种恒温系统由电阻电桥、放大器、晶体管控制器和加热绕组构成，如图7的底部所示。图中虚线表示放在恒温器内部的附加电路和振荡器组件。为使晶体激励保持稳定，需要使用稳压器、多级缓冲放大器和自动增益控制（AGC）电路。这恒温器就是比例控制型的单层恒温器，其电阻电桥的两臂是热电阻器，或是专用的高温度系数电阻器，它们的阻值是温度的函数。振荡器
加热器
恒混器
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放大器
感温器
避度控制器
缓冲放大器
稳压器
图7单层恒温振荡器（OCXO）
0输出
恒温器中温度一有变化就被感温器传感出来，使电桥失衡。电桥输出电压经放大驱使晶体管控制器产生或大或小的电流，流经加热绕组，以此来调节温度。感温器与恒温器外壳加热绕组之间应有良好的热耦合，只有这祥才便于采用高环路增益。为使温度变化率保持最小，恒温器结构应该具有足够大的热容量和良好的绝热措施。如果感温器与加热绕组之间的热耦合不好，那么由于控温电路的发热使晶体振荡器温度将产生可观的变化，从而使频率稳定度变得很差。改变桥路上一个电阻器的阻值就能改变温器的工作温度，这是因为它改变了电桥的平衡点。设计优良的单层恒温器，可在宽环境温度范围内提供0.1～1℃的温度稳定度。
为了使热损低，使晶体腔内温度梯度降到最小，在恒温器内应填充绝热材料，将各元件包住。一般来讲，温度梯度与加热器所用的功率成正比。最好的隔热材料就是真空，一般是用杜瓦瓶来实现真空隔热的。其它比较经济实用的隔热方法是使用泡沫材料，不过这种方法的热损比较大。
恒温器工作温度一般比预计的最高使用环境温度要高出10～15℃。所用晶体元件应具有9
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跟图2曲线C相类似的频率温度特性。工作温度选在温度较高的那个翻转点，即曲线的①点，由于在那翻转点附近小范围温度变化引起的频率变化是十分小的，从而可以得到相当好的频率稳定度。图2曲线翻转点大约在75℃，因此这时振荡器最高环境温度也就在60～65℃。用同样工艺制造的晶体元件，由于方位和（或）返回频率有微小差别，其翻转点温度不可能完全相同，所以针对每块晶体元件都要仔细调配恒温器的实际工作温度。恒温晶体振荡器接通电源后不会立即就工作在稳定的频率上，这是因为只有恒温器升温到其工作温度后，晶体频率才能稳定在翻转点处。为了得到快速升温特性，可以使用一种受通断式热动开关控制的单独的快速加热器。快速加热器在短时间需要较大功率，从而使晶体腔迅速升温，在升到距希望的工作温度低几度时，热动开关就切断快速加热器，转接比例控制器。从最低环境温度开始，升温时间要5～30min，在这段升温时间功耗一般为4～40W。采用热容量小的恒温器结构，也可以减少升温时间。但在用这种方法时，控制电路的参数，要按严公差要求，以保证在正常工作条件下的良好稳定度。精心设计的单层恒温器能将环境稳定比率保持在500：1左右（即在环境温度变化50℃时，内部温度变化0.1℃）。它足以能够使振荡器的宽温范围温度系数减少到1×10-1/℃的量级。
3.2.4.2双层恒温器
对需要频率稳定度更高的地方，则需要进一步隔绝环境的影响，要实现环境稳定比率接近5×10*：1，可用图8所示的双层恒温器控制。晶体元件和射频电路都装在内恒温器晶体腔里，再把内恒温器连同控温电路、稳压器等放进较大的外恒温器里面。这样全部电子线路都得到了保护，而不受外界环境温度变化的影响了。在外界环境温度变化25或更大时，内恒温器晶体腔的温度就能稳定到0.001℃左右。在正常工作条件下，双层恒温晶体振荡器的频率稳定度达到（1～2）×10~11/d，总的频率温度系数可低于10-12/℃。双层恒温结构的升温时间和稳定时间都比单层恒温的要长，而且还要增大功耗和体积。为了使双层恒温的长期稳定度与它改善了的温度特性相协调，双层恒温精密振荡器都习惯采用最好的泛音晶体元件（如：五次泛音的2.5MHz或5MHz晶体）。图9以表格形式综合了不同类型振荡器的有关特性。
外加热器
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外恒温器
内恒温器
内加热器
缓冲放大器
内恒温控制器
外恒温控制器
稳压器
稳压器
图8双层恒温振荡器（OCXO)
振荡器类型
普通晶体
振荡器（PXO）
压控晶体握
荡器（VCXO）
温补晶体振
荡器（TCXO)
恒温晶体振荡
器（OCXo)
（单层恒温）
恒温晶体振荡
器（Ocxo)
（双层恒温）
温度范围
-55~1053
-40~90℃
-20~703
0~50℃
-55~105C
-40~90℃
-20~70℃
050℃
-55~105℃
-4090℃
-20~703
-55~105C
-40~90℃
-20~70℃
0~50℃
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温度范围的
±25×10-。
±15×10~6
±10×10-6
±4×10-。
±0.5×10~5×10~6
±03×10-6~3×10~
±0.2×10-e2×10-
±01×10-~1×10-6
±0.1×101~2×10
±0.1×10-1~1×10-7
±0.5×10-8~1×10-
±0.5×10~8~5×10-8
±3×10-
±1×10-g
±5×10-10
±1×10-10
各类晶体振荡器的特性
4振荡器性能规范及其测量
输入功率
5~100mW
15~200mW
天药尺寸
100~200
1000~5000
晶体振荡器绝大多数用户主要关心的特性就是振荡器输出频率的稳定度。其它参数，诸如输出电平、电源要求、固定装置等等，尽管都应规定，但无论如何也是处于次要地位。频率稳定度这一性能的规范和测量，经常引起晶体振荡器用户和供货方之间产生误解和不满。任何振荡器所产生的信号都是由有限带宽的谱线构成的，而不是纯净的单音。频谱分布的大致形状一般都像图10所画的那样，具有一个十分狭窄但又有一定带宽的强谱线，个近乎“白色”的宽带本底噪声谱，以及主谱线附近的增强噪声信号。此外还可能有由谐波响应和杂波响应产生的一些弱谱线（图10中没有画出）。我们将会发现主谱线的平均频率（或中心频率）是随各种环境因素而漂移的，这些环境因素包括温度、电源电压、加速度、冲击及电气负载等等。因此，研究振荡器性能规范及其测量时都应考虑所有的环境因素。为了方便起见，我们人为地把相对于恒定频率的频偏分为两种：一种是由环境条件引起的，另一种则实质是随机的。然而应切记，这两种频偏或大或小都是始终存在的，而且不能用实验方法加以分开。