压控晶体振荡器及其调频变容二极管

VCXO 主要由晶体、放大器和变容二极管 等组成, 其工作原理是通过控制电压来改变变 容二极管的电容, 从而 “牵引”晶体的频率, 以
达到频率调制的目的, VCXO 的工作电原理图 由图 1 所示, VCXO 中晶体频率的牵引常用牵 引度来表征, 它表示每皮法的频率变化, 一般
收稿日期: 2000- 04- 04
10- 6～10- 5
1～30
20～100
插孔/ 定制/ SM T , 14mm×10mm ×3m m
远程通信、蜂窝电话、G PS 、 锁相环路 ( PLL)
4. 0
温 度补 偿晶 体 振 荡器 ( TCXO)
10- 7～10- 6
1～60
0. 1～5
插孔/ 定制/ SM T , 30mm × 30mm × 15mm ～ 11. 4mm×9. 6mm ×3. 9m m
×0. 15 英寸
价格 / 美元
7. 50
7. 00 14. 50
6. 0 9. 9～ 16. 50 75. 0
的。美国 Ralt ron El ectr onics 采用化学研磨的 加工技术制造出一种新型反向台面 ( Inver tedmesa ) 晶体, 这种晶体的特点是比 AT 切割晶 体要薄, 厚度小于 0. 002 英寸, 直径为 0. 2 英 寸, 使晶体能产生大于 200MHz 的基频, 其缺 点是成本高和老化速度快[ 4] 。( 2) 在提高频率稳 定度方面: ( a ) 采用温度传感器对温度漂移进行 补偿, 通过调节可变电容, 达到 VCXO 在设计 的温度范围内 ( 如 0～70℃, 或±40～85℃) 输 出频率几乎保持恒定, 不受温度的影响, 实际 上这种 VCXO 就是一块 T CXO, 这时 VCXO 的频率稳定度很好, 约为±1. 0～±2. 5ppm; ( b) 采用 T 型陶瓷 SM T 封装, 如 MF Elect ronics 推出一种超小型 T 型陶瓷 SMT 封装, 采用 这种封装的 VCXO 性能有很大提高, 工作温度 范围- 50～200℃, 频率范围 1kHz～125M Hz, 无温度补偿的频率稳定度 10ppm [ 5] 。( 3) 在提
补偿晶体振荡器 ( T CXO) 、恒温控制晶体振荡 V CXO; 要求±1～±20ppm , 可使用 T CXO; 要 器 ( OCXO) 和数字补偿晶体振荡器 ( DCXO) 。 求小于±1ppm 时, 应使用 OCXO 或 DCXO。
表 1 晶体振荡器的分类和性能
类 型
频率精度 频率范围 频率稳定度
1～50
±120 ±100
±25 ( 0～70℃) 3. 3/ 5
±25 ( 0～70℃) 5
±15 ( 0～70℃) ±25 ( ±40～85℃)
3. 3/ 5
T -V C XO M F El ect ron ics
4～45
±50, ±100, ±150
±25 ( 0～70℃)
IQ V CXO 490
C-M A C Frequency Produ ct s
1～30
±25, 50 ( 0～70℃) 5
FM VC4600
Fr equency M an agemen t
1～55
±20 ( 0～70℃) 3. 3
FM VC4700
40～160
V F-294
V al pey Fisher 1. 5～160
第 37 卷 第 4 期 2000 年 8 月 半导体情报
VCXO 牵引度限制在±200ppm 内, 典型值为 ±10～±50ppm 。图 2 给出 VCXO 标准的牵引 度曲线, 虚线表示理论上完全的线性曲线, 实 线表示在典型的 实际应用中获得的非线性曲 线, 这里实际的牵引度约为±200ppm[ 1] 。表 2 给 出 美 国 十 大 著 名 VCXO 制 造 商 生 产 的 V CXO 品种、性能和价格[ 1, 2] 。从表 2 可看出 VCXO 的发展动向是: ( 1) 频率范围越来越宽, 且越来越高, 如 Valpey Fisher 的 VF-294 频率 范 围 1. 5 ～ 160M Hz, Co nner-Winf iel d 的 GV94341 频率范围高达 2. 488GHz, 用于同步 光纤网; ( 2) 频率稳定度越来越稳, F ordahl 的 DF VSI-KH / SI-L H 的 频 率 稳 定 度 可 达 ± 15ppm ( 0～70℃) , 大部分为±20～±25ppm; ( 3) 工作电压越来越低, 从 5V 向 3. 3V 过渡; ( 4) 封装尺寸越来越 小, 从插孔到表面贴装 ( SM T ) , 如 M F Elect ro nics 推出目前市场上能 买到的最小尺寸 SM T 封装的 VCOX, 其尺寸 为 5mm × 7mm × 2mm , 图 3 为 Champion T echnolo gies 的 V CX O 插孔封装[ 3] , 图 4 为该 公司 V CX O 的 SM T 封装[ 2] 。
Baidu Nhomakorabea
VCXO, 不同于 VCD 的选择。在 VCXO 中, 晶 体与变容二极管的连接有两种方法: 一是串联,
年, 国外调频变容二极管发展很快, 早期调频 变容二极管常以 n、V n 和 CVn 来表征其电参数,
这时应选择 n= 1 的变容二极管; 二是并联, 这 时应选择变容二极管的 C-V 特性在使用范围 内成线性变化[ 7] 。( b) 在变容二极管上并联、或 串联、或并串联微调电容, 通过微调电容的微
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半导体情报 第 37 卷 第 4 期 2000 年 8 月
压控晶体振荡器及其调频变容二极管
翁寿松
( 无锡市元件四厂, 无锡 214002)
摘要 介绍了晶体振荡器的种类及压控晶体振荡器。提出改善压控晶体振荡器性能的具 体措施, 并介绍压控晶体振荡器关键元器件——调频变容二极管的性能及发展动态。 关键词 压控晶体振荡器 变容二极管 通信 中图分类号: T N 752 T N 312+ . 1 文献标识码: A 文章编号: 1001-5507 ( 2000) 4-14-04
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图 3 V CX O 的插孔封装
图 1 V CXO 的工作电原理图 图 2 V CXO 标准的牵引度曲线
图 4 V C XO 的 SM T 封装
随着无线通信向高频、宽带、便携式方向
发展, 要求 VCXO 具有高频、高性能、频率范 围宽、线性度好、频率稳定度优、频率牵引误
差小和封装尺寸小等特性, 为了提高 VCXO 性 能, 可采取如下措施: ( 1) 在提高频率范围方 面: ( a) 倍频法, 大多数 V CXO 都采用基本模 式的晶体, 求得的偏移量或牵引度与谐波数的 平方成反比。若 VCXO 需要的频率比基本模式 晶体能获得的还要高, 通常采用倍频的方法; ( b) 混频法, 将 VCXO 的输出 ( 如 10M Hz± 10kHz) 与晶体振荡器的输出 ( 如 9MHz) 补差 式地混合在一起, 从而获得 1MHz 输出, 其偏 移量为±10kHz; ( c) 采用反向台面晶体的方 法, 倍频法是以牺牲相位噪声 ( 抖动) 为代价
无线通信如军民用通信机、移动电话、寻 它们的频率精度、频率范围、频率稳定度、封
呼机和全球定位系统 ( GP S) 等迅速发展, 增大 装和价格由表 1 所示[ 1] 。晶体振荡器的主要性
了对晶体振荡器的需求。晶体加工技术、半导 能之一是在一定温度范围内 ( 如 0～70℃或±40
体制造技术和电子线路设计的进步, 提高了晶 体振荡器的精确度、可调性和稳定性。一般晶
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( VCO) , 一般选择 n= 2 的调频变容二极管, 因 V 特性曲线的线性部分完全一致, 那么净电容
为调频频率 f r 与反向偏压 V R 的关系为: f r ∝ 变为零。国外已把这种两只变容二极管封装在
( V R + 5 ) 1/ 2õn , 5 为硅接触电位势, 当 n= 2 时,
移动电话、远程通信、测试 设备、卫星通信
4. 0
恒 温控 制晶 体 振 荡器 ( O CXO )
10- 10～10- 8
0. 0001～5 插孔/ 定制
频率计数器、频谱和网络分 析仪、导航、国防、基站 250. 0
数 字补 偿晶 体 振 荡器 ( DCX O )
±0. 02～±1 插孔/ 定制
视频、军用、远程通信、高 档基站
一起, 其外形为 SOT -23, 三条腿, 如美国 Alpha
f r ∝ ( V R + 5 ) , 即 f r 与 V R 成线性关系, 这样 有利于调频、宽带跟踪和消除失真等[ 6] 。对于
Indust ries 的 SM V-1255-004 变容 二极管就含 有两只 C-V 特性完全一致的变容二极管。近几
/ MHz
/ ppm
封 装
应 用
最低价格 / 美元
简 单封 装晶 体 振 荡器 ( SPXO )
10- 5～10- 4
1～100
20～1000
DIP/ SM T 21mm ×14mm ×6mm ～5mm 数字系统, M PLI 时钟 ×3. 2mm×1. 5mm
0. 90
电 压控 制晶 体 振 荡器 ( V CXO )
( 0～70℃)
±100 ( ±40～85℃)
J-V CX O
V ect ron Int ern at ional
155
150
20
3. 3
CM V
K 1526 K 152-8C DFV S I-K H/ SI -L H
Cha m pio n Techn ol ogies
Ford ahl
2～45 2～40 35～125
±100
±25
3. 3/ 5
V CX O324/ 385/ 386
CTS Reer es Fr equency P ro duc t s
155. 52
±200
3. 3/ 5
G V 94341
Conner -Winf ield
2. 488GHz
±60
±20 ( - 40～85℃) 3. 3
封装
SMT
DIP
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半导体情报 第 37 卷 第 4 期 2000 年 8 月
表 2 美国 VCXO 性能
型 号
公 司
频率范围 / MHz
牵引度 / ppm
频率稳定度 / ppm
工作 电压 /V
S1318
Sa Ro nix
32～120
±25/ ±50
±50
S1550
±20, ±25, ±50
38. 88～155. 52 ±50, ±100
～85℃) 的频率稳定度, 频率稳定度越小, 晶体 振荡器性能越好, 其价格也越高。通信设备对频
体振荡器可分为五大类: 简单封装晶体振荡器 率稳定度要求±100ppm, 可使用 SPXO, 又称非
( SPXO) 、电压控制晶体振荡器 ( VCXO) , 温度 补偿晶体振荡 器; 要求± 50ppm 时, 可使用
高频率、电压特性方面: ( a) 正确选择变容二极 管的 n 值, VCXO 中关键元器件之一是变容二 极管, 变容二极管是一种端电容在反向偏置下 按确定方式随偏压变化, 并且专门利用这种电 容-电压 ( C-V 特性) 的半导体二极管。在电子 线路中作调频用的变容二极管称为调频变容二 极管。调频变容二极管的重要电参数之一为 n 值, 即电容变化指数, 它是指在规定的反向偏 压下, 在双对数坐标中变容二极管的电容随电 压的变化斜率。对于超突变结变容二极管的 n 值大于 1/ 2, n 值越大, C-V 特性曲线越陡。n 值是反向偏压的函数, 在某偏压下 n 值有一个 最大值 nmax, 此时对应的电压称为中心电压 V n 。 在规定的中心电压 V n 下, 变容二极管的电容称 中心 电 容 CVn, 如 无 锡 市 元 件 四 厂 生 产 的 2CC18 属调频变容二极管, n= 1. 7～3, V n= 2 ～ 6V , CV n = 6 ～ 18pf。 对 于 压 控 振 荡 器
SMT CLCC 7. 5m m×5. 08mm×1. 8mm SMT 插孔 SMT
5mm×7mm
14. 2m m×9. 2mm×6. 5mm ( 6 脚)
DIP ( 14 脚)
LC C ( 6 脚) 5. 08mm×7. 62mm
9mm×14mm 陶瓷
插孔/ S MT 0. 45 英寸×0. 55 英寸