如何实现对压控晶振的精确控制？

摘要： 压控晶振（Voltage Controlled Crystal Oscillator，简称VCXO）是一种通过控制电压来调节输出频率的晶体振荡器，它在通信系统、频率合成器和时钟同步...

压控晶振（Voltage Controlled Crystal Oscillator，简称VCXO）是一种通过控制电压来调节输出频率的晶体振荡器，它在通信系统、频率合成器和时钟同步等领域有着广泛的应用，以下是对压控晶振的控制原理及应用的详细介绍：

压控晶振的构成与工作原理

1、基本构成：

VCXO主要由石英谐振器、变容二极管和振荡电路组成。

石英谐振器的高Q值使其在频率稳定性方面表现优异。

2、工作原理：

当外加电压变化时，变容二极管的电容发生变化，从而改变振荡回路的总电容。

根据LC谐振回路的原理，振荡频率f由公式决定：\[ f = \frac{1}{2π√(LC)} \]，其中L为电感，C为总电容。

通过改变变容二极管的电容，可以实现频率的微调。

压控晶振的特点

1、低抖动或低相位噪声：

由于电路结构、电源噪声以及地噪声等因素的影响，VCXO的输出信号存在一定的抖动。

这种抖动直接影响其他电路的设计，因此希望VCXO的抖动越小越好。

2、宽调频范围：

VCXO的调节范围直接影响整个系统的频率调节范围。

通常牵引范围大约为100到200ppm，取决于VCXO的结构和所选择的晶体。

3、稳定的增益：

VCXO的电压频率非线性是产生噪声的主要原因之一。

变化的VCXO增益会影响环路参数，从而影响环路的稳定性。

压控晶振的分类

1、反相器型VCO：

核心是由奇数个反相器组成，振荡频率由每个反相器的延时以及反相器的个数决定。

优点是电路设计简单，振荡频率可以被设计得很高，但对电源或地的噪声比较敏感。

2、差分对型VCO：

主要由差分对延时构成，通过控制压控电流源的电流控制振荡频率。

优点是差分信号可以抑制地噪声或电源噪声，相位抖动较小，但带宽有限。

3、LC型VCO：

特点是由于LC谐振腔的Q值很高，因此相位噪声很低，常用于对频率抖动要求非常低的频率合成器中。

工作频率只与电感L和电容C有关，通过减小电感或电容并减小电路的寄生电容可以使得电路工作在很高的工作频率下。

压控晶振的应用与选型

1、应用领域：

通信系统、频率合成器、时钟同步等。

广泛用于地面移动通讯设备、机载通讯设备等。

2、选型指南：

频率：根据需求选择适当的频率，基站常用10MHz恒温晶振OCXO。

频率稳定度：对于频率稳定度要求±20ppm及以上的应用，可使用普通无补偿的晶体振荡器；对于介于±1至±20ppm的稳定度，应考虑温补晶振TCXO；对于低于±1ppm的稳定度，应考虑恒温晶振OCXO。

电源电压：常用的有1.8V、2.5V、3.3V、5V等，其中3.3V应用最广。

输出方式：根据需要采用不同输出类型，如HCMOS、SINE、TTL、PECL、LVPECL、LVDS、HSCL、PLL等。

工作温度：工业级标准规定的40℃~+85℃，但对于某些特殊场合如航天军用等，可能需要更宽的温度范围。

相位噪声和抖动：相位噪声和抖动是对短期稳定度的真实度量，高端晶振通常具有较好的相位噪声性能。

牵引范围：带有压控功能的晶振为VCXO，牵引范围通常为100到200ppm。

封装尺寸：小型封装往往要在性能、输出选择和频率选择之间作出折中。

老化率：随着时间的推移，频率值的变化大小，有年老化和日老化两种指标。

压控晶振通过控制电压实现频率的精确调节，广泛应用于各种需要高精度频率控制的领域，其特点包括低抖动、宽调频范围和稳定的增益，不同类型的VCXO适用于不同的应用场景，选型时需综合考虑频率、频率稳定度、电源电压、输出方式、工作温度、相位噪声和抖动等因素。