压控振荡器-振荡频率约为1.8GHz

压控振荡器（VCO）的主要指标包括：
1. 频率：振荡器的输出信号的重复率，以赫兹（Hz）为单位，即每秒所包含的周期数。

频率稳定性是振荡器的基本性能指标之一，参考额定输出频率通常以百万分率（parts per million，ppm）或十亿分率（parts per billion，ppb）计。

2. 调谐范围：调节输出频率的变化范围，即振荡器的最大调谐频率和最小调谐频率的差值。

压控振荡器要有足够大的调谐范围才能满足输出频率达到所需要的值。

3. 调谐增益：即压控振荡器的灵敏度，是指单位的输入电压与输出频率的变化，一般用Kv表示，单位是Hz/V。

在实际应用上讲，压控器的灵敏度越高，噪声响应在控制线路上越强，结果干扰输出频率就越大，就会使压控振荡器的噪声性能降低。

所以需要寻找VCO的增益和噪声性能的平衡。

除此之外，压控振荡器的中心频率指的是频率调节范围的中间值，即振荡器频率的最大值和最小值的中间值，中心频率的大小取决于振荡器的结构和元器件参数，而且还随着工艺和温度相应改变。

以上内容仅供参考，如需了解更多信息，建议咨询专业人士。

压控振荡器（VCO）一应用范围用于各种发射机载波源、扩频通讯载波源或作为混频器本振源。

二基本工作原理利用变容管结电容Cj随反向偏置电压VT变化而变化的特点(VT=0V时Cj是最大值，一般变容管VT落在2V-8V压间，Cj呈线性变化，VT在8-10V则一般为非线性变化，如图1所示，VT在10-20V时，非线性十分明显），结合低噪声振荡电路设计制作成为振荡器，当改变变容管的控制电压，振荡器振荡频率随之改变，这样的振荡器称作压控振荡器（VCO）。

压控振荡器的调谐电压VT要针对所要求的产品类别及典型应用环境(例如用户提供调谐要求，在锁相环使用中泵源提供的输出控制电压范围等)来选择或设计，不同的压控振荡器，对调谐电压VT有不同的要求，一般而言，对调谐线性有较高要求者，VT选在1-10V，对宽频带调谐时，VT则多选择1-20V或1-24V。

图1为变容二极管的V－C特性曲线。

(V)T图1变容二极管的V－C特性曲线三压控振荡器的基本参数1 工作频率：规定调谐电压范围内的频率范围称作工作频率，通常单位为“MHz”或“GHz”。

2 输出功率：在工作频段内输出功率标称值，用Po表示。

通常单位为“dBmw”。

3 输出功率平稳度：指在输出振荡频率范围内，功率波动最大值，用△P表示，通常单位为“dBmw”。

4 调谐灵敏度：定义为调谐电压每变化1V时，引起振荡频率的变化量，用MHz/ △VT表示，在线性区，灵敏度最高，在非线性区灵敏度降低。

5 谐波抑制：定义在测试频点，二次谐波抑制=10Log(P基波/P谐波)(dBmw)。

6 推频系数：定义为供电电压每变化1V时，引起的测试频点振荡频率的变化量，用MHz/V表示。

7 相位噪声：可以表述为，由于寄生寄相引起的杂散噪声频谱，在偏移主振f0为fm的带内，各杂散能量的总和按fin平均值+15f0点频谱能量之比，单位为dBC/Hz；相位噪声特点是频谱能量集中在f0附近，因此fm越小，相噪测量值就越大，目前测量相噪选定的fm 有离F0 1KHz 、10KHz 和100KHz 几种，根据产品特性作相应规定。

压控振荡器（VCO）一应用范围用于各种发射机载波源、扩频通讯载波源或作为混频器本振源。

二基本工作原理利用变容管结电容Cj随反向偏置电压VT变化而变化的特点(VT=0V时Cj是最大值，一般变容管VT落在2V-8V压间，Cj呈线性变化，VT在8-10V则一般为非线性变化，如图1所示，VT在10-20V时，非线性十分明显），结合低噪声振荡电路设计制作成为振荡器，当改变变容管的控制电压，振荡器振荡频率随之改变，这样的振荡器称作压控振荡器（VCO）。

压控振荡器的调谐电压VT要针对所要求的产品类别及典型应用环境(例如用户提供调谐要求，在锁相环使用中泵源提供的输出控制电压范围等)来选择或设计，不同的压控振荡器，对调谐电压VT有不同的要求，一般而言，对调谐线性有较高要求者，VT选在1-10V，对宽频带调谐时，VT则多选择1-20V或1-24V。

图1为变容二极管的V－C特性曲线。

(V)T图1变容二极管的V－C特性曲线三压控振荡器的基本参数1 工作频率：规定调谐电压范围内的频率范围称作工作频率，通常单位为“MHz”或“GHz”。

2 输出功率：在工作频段内输出功率标称值，用Po表示。

通常单位为“dBmw”。

3 输出功率平稳度：指在输出振荡频率范围内，功率波动最大值，用△P表示，通常单位为“dBmw”。

4 调谐灵敏度：定义为调谐电压每变化1V时，引起振荡频率的变化量，用MHz/ △VT表示，在线性区，灵敏度最高，在非线性区灵敏度降低。

5 谐波抑制：定义在测试频点，二次谐波抑制=10Log(P基波/P谐波)(dBmw)。

6 推频系数：定义为供电电压每变化1V时，引起的测试频点振荡频率的变化量，用MHz/V表示。

7 相位噪声：可以表述为，由于寄生寄相引起的杂散噪声频谱，在偏移主振f0为fm的带内，各杂散能量的总和按fin平均值+15f0点频谱能量之比，单位为dBC/Hz；相位噪声特点是频谱能量集中在f0附近，因此fm越小，相噪测量值就越大，目前测量相噪选定的fm有离F0 1KHz、10KHz和100KHz几种，根据产品特性作相应规定。

基于标准CMOS工艺压控振荡器（VCO）设计作者：南志坚刘鸿旗来源：《科技资讯》2014年第02期摘要：近年来随着无线通信系统的迅猛发展和CMOS工艺的不断进步，对CMOS 无线射频收发机要求越来越高。

低成本、小型化、宽频带、低噪声、更高的工作频段是未来射频收发机设计所要努力的方向。

压控振荡器（voltage-controlled oscillator， VCO）作为频率综合器的关键组成部分，对频率综合器的频率覆盖范围、相位噪声、功耗等重要性能都有直接影响，文章经过对VCO性能参数的分析，介绍了一些压控振荡器性能优化方法。

关键词：振荡器施密特触发器环形振荡器 CSA中图分类号：TD61 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（b）-0123-02压控振荡器（voltage-controlled oscillator， VCO）是一种以电压输入来控制振荡频率的电子振荡电路，是现代无线电通信系统的重要组成部分。

在当今集成电路向尺寸更小、频率更高、功耗更少、价格更低发展的趋势下，应用标准工艺设计生产高性能的压控振荡器已是射频集成电路中的一个重要课题。

尤其在通信系统电路中，压控振荡器（VCO）是其关键部件，可以毫不夸张地说在电子通信技术领域，VCO几乎与电流源和运放具有同等重要地位。

1 压控振荡器（VCO）原理1.1 概述压控振荡器是在振荡器的基础上引入控制端，实现电压控制振荡频率的功能。

振荡器是通过自激方式把直流电能变换为交流电能的一种电子线路。

构成VCO的第一步，是实现一个振荡器，然后添加一个中间级使输入电压可以控制振荡频率（但在有些情况，控制信号可能为电流）。

人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。

1.2 压控振荡器基本架构和原理压控振荡器主要有环形振荡器和负阻型振荡器两种结构，环形振荡器具有线性度好，功耗小，成本低，易于集成，调节范围宽，结构简单易于实现等优点，因此在时钟类型的应用和低中频通信系统中得到了广泛的应用。

3．15压控振荡器一.实验目的1.了解压控振荡器的组成、工作原理。

2.进一步掌握三角波、方波与压控振荡器之间的关系。

3.掌握压控振荡器的基本参数指标及测试方法。

二.设计原理电压控制振荡器简称为压控振荡器，通常由VCO(V oltage Controlled Oscillator)表示。

是一种将电平变换为相应频率的脉冲变换电路，或者说是输出脉冲频率与输入信号电平成比例的电路。

它被广泛地应用在自动控制，自动测量与检测等技术领域。

压控振荡器的控制电压可以有不同的输入方式。

如用直流电压作为控制电压，电路可制成频率调节十分方便的信号源；用正弦电压作为控制电压，电路就成为调频振荡器；而用锯齿电压作为控制电压，电路将成为扫频振荡器。

压控振荡器由控制部分、方波、三角波发生器组成框图如下：反相器 1反相器 2模拟开关方波、三角波发生器三角波方波3-15-11.方波、三角波发生器我们知道，方波的产生有很多种方法，而用运算放大器的非线性应用电路---电压比较器是一种产生方波的最简单的电路之一。

而三角波可以通过方波信号积分得到。

电路如图C3-15-2设t=0,Uc=0,Uo 1=+Uz,则Uo=-Uc=0,运放A 1的同相端对地电压为：U+’=212211R R R U R R R U o z +++此时，Uo 1通过R 向C 恒流充电，Uc 线性上升，Uo 线性下降，则U+’下降，由于运放反相端接地，因此当U+’下降略小于0时，A 1翻转，Uo1跳变为-Uz 见土，此时Uo 略小于-R 1×U 2/R 2。

在t=t 1时，Uc=-Uo=R 1×U 2/R 2,Uo1=-Uz.运放A 1的同相端对地电压为：212211'R R UoR R R UzR U ++++=+ 此时，电容C 恒流放电，Uc 线性下降，Uo 线性上升,则U+’也上升。

当U+’上升到略大于0时，A 1翻转，Uo 跳变为Uz ，如此周而复始，就可在Uo 端输出幅度为R 1×U 2/R 2的三角波。

摘要压控振荡器作为无线收发机的重要模块，它不仅为收发机提供稳定的本振信号，还可以倍频产生整个电路所需的时钟信号。

它的相位噪声、调节范围、调节灵敏度对无线收发机的性能有很大影响。

文章首先介绍了振荡器的两种基本理论:负反馈理论和负阻振荡理论。

分别从起振、平衡、稳定三个方面讨论了振荡器工作所要满足的条件，并对这些条件以公式的形式加以描述。

接着介绍了两种类型的压控振荡器:环形振荡器和LC振荡器。

对这两种振荡器的结构、噪声性能和电源的敏感性方面做出了分析和比较，通过分析可以看出LC压控振荡器更加适合于应用在射频领域。

紧接着介绍了CMOS工艺可变电容和电感的物理模型，以及从时变和非时变两个方面对相位噪声进行了分析。

最后本文采用csm25Rf工艺并使用Cadence SpectreRF仿真器进行仿真分析，设计了一个COMS LC压控振荡器，频率变化范围为2.34GHz-2.49GHz，振荡的中心频2.4GHz，输出振幅为 480mV，相噪声为100kHz 频率偏移下-91.44dBc/Hz ，1MHz频率偏移下-116.7dBc/Hz， 2.5V电源电压下功耗为18mW。

关键词：LC压控振荡器；片上螺旋电感；可变电容；相位噪声，调谐范围。

ABSTRACTV oltage-control-oscillator is the crucial components of wireless transceiver , it provides local signal and clock for the whole circuit, its performance parameter, such as: phase noise, tuning range, power consumption, have great effect on wireless transceivers.Firstly, two oscillator theorems: negative-feedback theorem and negative-resistance theorem , are presented and the conditions of startup, equilibrium, stabilization required for oscillator are discussed respectively.Secondly , we introduce two types of VCO : ring VCO and LC VCO ,and made a comparison between them , it is obvious that LC VCO are suit for RF application. The physical model for MOS varactor and planar spiral inductor are present.At last, a COMS LC VCO with csm25rf technology is presented , the VCO operates at 2.34GHz to 2.49 GHz, and its oscillation frequency is 2.4GHz. The amplitude is 480 mV. The phase noise at 100 kHz offset is –91.48dBc/Hz, and -116.7dBc/Hz at 1MHz. The power consumption of the core is 18mW with 2.5V power supply.Key Words：LC VCO；on-chip spiral inductor；MOS-varactor；phase noise；turning range.目录第一章绪论 (1)1.1 研究背景 (1)1.2 LC压控振荡器的研究现状 (2)1.2.1 片上电感和可变电容 (2)1.2.2 相位噪声理论和降噪技术 (2)1.3 论文研究的主要内容 (3)第二章 LC振荡器的基本原理 (5)2.1 振荡器概述 (5)2.2反馈理论 (5)2.2.1巴克豪森准则 (5)2.2.2平衡条件 (6)2.2.3 稳定条件 (7)2.3 负阻理论 (8)2.3.1 起振条件 (8)2.3.2 平衡条件 (8)2.3.3 稳定条件 (9)2.4 常见的振荡器 (11)2.4.1 环形振荡器 (11)2.4.2 LC振荡器 (11)第三章压控振荡器的实现 (13)3.1 环形振荡器 (13)3.2 LC压控振荡器 (14)3.2.1 COMS变容管的实现 (14)3.2.2 COMS工艺中的电感 (17)3.3 LC压控振荡器的实现 (21)3.3.1 LC交叉耦合振荡器 (21)3.3.2 压控振荡器的数学模型 (22)3.3.3 LC压控振荡器的实现 (23)3.4 振荡器的相位噪声 (24)3.4.1 相位噪声的知识 (24)3.4.2 非时变模型 (26)3.4.3时变模型 (28)3.4.4 降低相位噪声的方法 (32)第四章 2.4GHz LC压控振荡器设计方案 (34)4.1 电路结构的选择 (34)4.2 谐振器的设计 (34)4.2.1 片上电感 (34)4.2.2 MIM电容 (35)4.2.3 压控变容器(Varactor) (35)4.2.4 谐振器电路设计 (35)4.3 负电阻产生电路设计 (36)4.4 外围电路 (36)4.5 电源电路 (38)第五章仿真结果分析 (39)5.1 电路模拟结果 (39)5.1.1 LC压控振荡器V-f曲线 (39)5.1.2 瞬态仿真曲线 (40)5.1.3 频谱分析曲线 (40)5.1.4 相位噪声仿真曲线 (41)5.2 VCO的性能总结 (42)结束语 (43)致谢 (44)参考文献 (45)第一章绪论1.1 研究背景随着集成电路技术的发展，电路的集成度逐渐提高，功耗变的越来越大，于是低功耗的CMOS技术优越性日益显著。

KGPS六型中频电源控制板KGPS六型中频电源控制板恒功率中频电源控制板是我们积多年从事中频电源工作而开发的第六代中频电源控制板。

1．控制电路原理整个控制电路除逆变末级触发电路板外，做成一块印刷电路板结构，从功能上分为整流触发部分、调节器部分、逆变部分、起动演算部分。

(1) 整流触发工作原理这部分电路包括三相同步、数字触发、末级驱动等电路。

触发部分采用的是数字触发，具有可靠性高、精度高、调试容易等特点。

数字触发器的特征是用计(时钟脉冲)数的办法来实现移相，该数字触发器的时钟脉冲振荡器是一种电压控制振荡器，输出脉冲频率受α移相控制电压Vk的控制，Vk降低，则振荡频率升高，而计数器的计数量是固定的(256)，计数器脉冲频率高，意味着计一定脉冲数所需时间短，也即延时时间短，α角小，反之α角大。

计数器开始计数时刻同样受同步信号控制，在α=0度时开始计数。

现假设在某Vk值时，根据压控振荡器的控制电压与频率间的关系确定输出振荡频率为25kHz，则在计数到256个脉冲所需的时间为(1/25000)×256=10.2(mS)，相当于约180°电角度，该触发器的计数清零脉冲在同步电压(线电压)的30度处，这相当于三相全控桥式整流电路的β=30度位置，从清零脉冲起，延时10.2mS产生的输出触发脉冲，也即接近于三相桥式整流电路某一相晶闸管α=150度位置，如果需要得到准确的α=150度触发脉冲，可以稍微调节一下电位器W4。

显然，有三套相同的触发电路，而压控振荡器和Vk控制电压为公用，这样在一个周期中产生6个相位差60度的触发脉冲。

数字触发器的优点是工作稳定，特别是用HTL或CMOS数字集成电路，则可以有很强的抗干扰能力。

IC16A及其周围电路构成电压——频率转换器，其输出信号的周期随调节器的输出电压Vk而线性变化。

这里W4微调电位器是最低输出频率调节(相当于模拟电路锯齿波幅值调节)。

三相同步信号直接由晶闸管的门极引线K4、K6，K2从主回路的三相进线取得，由R23，C1，R63，C40，R102，C63进行滤波及移相，再经6只光电耦合器进行电位隔离，获得6个相位互差60度、占空比略小于50%的矩形波同步信号(如IC2C、IC2D)的输出。

实验一：压控振荡器VCO的设计实验目的：1、了解压控振荡器VCO的原理和设计方法2、学习使用ADS软件进行VCO的设计，优化和仿真。

实验内容：1、了解振荡器的主要技术指标。

2、使用ADS软件设计一个VCO，并对其参数进行优化、仿真。

3、观察不同的参数对VCO工作的影响。

实验步骤：一、偏置电路的设计1、建立工程文件Oscillator，命名为yakong。

建立一个原理图窗口，命名为pz。

2、在原理图窗口打开Component library，选择采用HP 公司生产的AT41411 硅双极管[12]，在probe components 中选择L_Probe，在Sources－Time Domain中选择V_DC，在lumped components中选择R。

3、设置两个GOAL和一个OPTIM以及一个DC。

4、连好电路图1如下图所示，设置电路节点，设置好电路元件参数（如下），然后进行仿真，结果如下：由此得出后面原理图所用数据R1=385.406，R2=620.792图1二、可变电容VC特性曲线测试1、新建一个电路原理图窗口，命名为kbdr。

2、设置一个Term，一个S-PARAMETE，一个PARAMETER SWEEP，一个V AR，在Component library选择型号为MV1404的变容管。

3、修改电源的属性，修改S参数的属性，修改PARAMETER SWEEP的属性，设置V AR中的参数。

4、连好电路图（如下图2所示），然后仿真，在Date Display中按要求设置输出方式，结果如下图2所示。

图2三、瞬态仿真电路图1、在新原理图窗口，命名为stfz。

2、调出元器件连接电路图如下图3所示，设置Transient Simulation 仿真器仿真从0 到30nsec ，max tim estep=0.01nsec，其他元器件参数如下图，设置一个Transient ，添加V out节点。

3、然后仿真优化，由于VCO的振荡频率由变容二极管所在的谐振网络的谐振频率决定，经计算得到当变容二极管的电容为8.25pF时，谐振频率为1.8GHz，查看图2由VC曲线可以看到实验设计对应的二极管直流偏置电压大概3.5-4.0V之间，这里我们取Vdc=3.65V，如下图3所示。

锁相放大器原理锁相放大器（Phase-Locked Loop，PLL）是一种广泛应用于通信系统和数字系统中的重要电子系统技术，被广泛用于频率同步、数据处理、数字滤波、相位控制等多个领域。

本文将从锁相放大器的基本原理、主要组成部分以及工作过程等多个方面进行深入阐述。

一、锁相放大器的基本原理锁相放大器的基本原理是通过测量和控制一个振荡器的频率与一个参考信号的频率同步。

当这两个频率的协调合作达到锁定状态时，锁相放大器就能精确地跟踪和检测到参考信号的频率和相位变化。

二、锁相放大器的主要组成部分锁相放大器主要由相位比较器、环路滤波器、压控振荡器及分频器四部分组成。

1. 相位比较器：其主要功能是比较参考输入和反馈信号的相位差，然后生成一个与相位差成正比的直流电压，用于控制压控振荡器。

2. 环路滤波器：环路滤波器的作用是对比较器的输出信号进行滤波，并抑制高频噪声，再将滤波后的电压作为压控振荡器的控制电压。

3. 压控振荡器：压控振荡器是一个频率可以由输入控制电压调整的振荡器，其目的是根据相位比较器和环路滤波器的输出，调整自身的振荡频率。

4. 分频器：分频器是将压控振荡器的输出频率除以分频系数后，再送入相位比较器参与比较。

三、锁相放大器的工作过程在锁相放大器开始工作时，参考输入信号和反馈信号在相位比较器中比较，输出一个与两信号相位差成比例的电压，通过环路滤波器滤波后作为压控振荡器的输入信号，引导压控振荡器改变其振荡频率，直到锁定于与参考信号频率相同的稳定状态，此时锁相放大器便开始稳定工作。

总结，锁相放大器以其独特的锁定性，能够对微弱、模糊、噪声干扰大的信号进行有效的放大和提取，并能实现对信号的频率、相位的精确跟踪，因此其在现代通信技术中占有重要地位。

理解和掌握锁相放大器的工作原理，对于从事电子科技领域的工程师具有重要意义。

晶振与匹配电容的总结1.匹配电容-----负载电容是指晶振要正常震荡所需要的电容;一般外接电容,是为了使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容;要求高的场合还要考虑ic输入端的对地电容;一般晶振两端所接电容是所要求的负载电容的两倍;这样并联起来就接近负载电容了;2.负载电容是指在电路中跨接晶体两端的总的外界有效电容;他是一个测试条件,也是一个使用条件;应用时一般在给出负载电容值附近调整可以得到精确频率;此电容的大小主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻;3.一般情况下,增大负载电容会使振荡频率下降,而减小负载电容会使振荡频率升高;4.负载电容是指晶振的两条引线连接IC块内部及外部所有有效电容之和,可看作晶振片在电路中串接电容;负载频率不同决定振荡器的振荡频率不同;标称频率相同的晶振,负载电容不一定相同;因为石英晶体振荡器有两个谐振频率,一个是串联揩振晶振的低负载电容晶振：另一个为并联揩振晶振的高负载电容晶振;所以,标称频率相同的晶振互换时还必须要求负载电容一至,不能冒然互换,否则会造成电器工作不正常;晶振旁的电阻并联与串联一份电路在其输出端串接了一个22K的电阻,在其输出端和输入端之间接了一个10M的电阻,这是由于连接晶振的芯片端内部是一个线性运算放大器,将输入进行反向180度输出,晶振处的负载电容电阻组成的网络提供另外180度的相移,整个环路的相移360度,满足振荡的相位条件,同时还要求闭环增益大于等于1,晶体才正常工作;晶振输入输出连接的电阻作用是产生负反馈,保证放大器工作在高增益的线性区,一般在M欧级,输出端的电阻与负载电容组成网络,提供180度相移,同时起到限流的作用,防止反向器输出对晶振过驱动,损坏晶振;和晶振串联的电阻常用来预防晶振被过分驱动;晶振过分驱动的后果是将逐渐损耗减少晶振的接触电镀,这将引起频率的上升,并导致晶振的早期失效,又可以讲drive level调整用;用来调整drive level和发振余裕度;Xin和Xout的内部一般是一个施密特反相器,反相器是不能驱动晶体震荡的.因此,在反相器的两端并联一个电阻,由电阻完成将输出的信号反向 180度反馈到输入端形成负反馈,构成负反馈放大电路.晶体并在电阻上,电阻与晶体的等效阻抗是并联关系,自己想一下是电阻大还是电阻小对晶体的阻抗影响小大电阻的作用是将电路内部的反向器加一个反馈回路,形成放大器,当晶体并在其中会使反馈回路的交流等效按照晶体频率谐振,由于晶体的Q值非常高,因此电阻在很大的范围变化都不会影响输出频率;过去,曾经试验此电路的稳定性时,试过从100K～20M都可以正常启振,但会影响脉宽比的;晶体的Q值非常高, Q值是什么意思呢晶体的串联等效阻抗是 Ze = Re + jXe, Re<< |jXe|, 晶体一般等效于一个Q很高很高的电感,相当于电感的导线电阻很小很小;Q一般达到10^-4量级;避免信号太强打坏晶体的;电阻一般比较大,一般是几百K;串进去的电阻是用来限制振荡幅度的,并进去的两颗电容根据LZ的晶振为几十MHZ 一般是在20~30P左右,主要用与微调频率和波形,并影响幅度,并进去的电阻就要看 IC spec了,有的是用来反馈的,有的是为过EMI的对策可是转化为并联等效阻抗后,Re越小,Rp就越大,这是有现成的公式的;晶体的等效Rp很大很大;外面并的电阻是并到这个Rp上的,于是,降低了Rp值 -----> 增大了Re -----> 降低了Q关于晶振石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器,被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中,以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号;一、石英晶体振荡器的基本原理1、石英晶体振荡器的结构石英晶体振荡器是利用石英晶体二氧化硅的结晶体的压电效应制成的一种谐振器件,它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片简称为晶片,它可以是正方形、矩形或圆形等,在它的两个对应面上涂敷银层作为电极,在每个电极上各焊一根引线接到管脚上,再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振;其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的;2、压电效应若在石英晶体的两个电极上加一电场,晶片就会产生机械变形;反之,若在晶片的两侧施加机械压力,则在晶片相应的方向上将产生电场,这种物理现象称为压电效应;如果在晶片的两极上加交变电压,晶片就会产生机械振动,同时晶片的机械振动又会产生交变电场;在一般情况下,晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小,但当外加交变电压的频率为某一特定值时,振幅明显加大,比其他频率下的振幅大得多,这种现象称为压电谐振,它与LC回路的谐振现象十分相似;它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关;3、符号和等效电路当晶体不振动时,可把它看成一个平板电容器称为静电电容C,它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关,一般约几个PF到几十PF;当晶体振荡时,机械振动的惯性可用电感L来等效;一般L的值为几十mH 到几百mH;晶片的弹性可用电容C来等效,C的值很小,一般只有～;晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效,它的数值约为100Ω;由于晶片的等效电感很大,而C很小,R也小,因此回路的品质因数Q很大,可达1000～10000;加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关,而且可以做得精确,因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度;4、谐振频率从石英晶体谐振器的等效电路可知,它有两个谐振频率,即1当L、C、R支路发生串联谐振时,它的等效阻抗最小等于R;串联揩振频率用fs表示,石英晶体对于串联揩振频率fs呈纯阻性,2当频率高于fs时L、C、R支路呈感性,可与电容C;发生并联谐振,其并联频率用fd表示;根据石英晶体的等效电路,可定性画出它的电抗—频率特性曲线;可见当频率低于串联谐振频率fs或者频率高于并联揩振频率fd时,石英晶体呈容性;仅在fs二、石英晶体振荡器类型特点石英晶体振荡器是由品质因素极高的石英晶体振子即谐振器和振荡电路组成;晶体的品质、切割取向、晶体振子的结构及电路形式等,共同决定振荡器的性能;国际电工委员会IEC将石英晶体振荡器分为4类：普通晶体振荡TCXO,电压控制式晶体振荡器VCXO,温度补偿式晶体振荡TCXO,恒温控制式晶体振荡OCXO;目前发展中的还有数字补偿式晶体损振荡DCXO等;普通晶体振荡器SPXO可产生10^-5～10^-4量级的频率精度,标准频率1—100MHZ,频率稳定度是±100ppm;SPXO没有采用任何温度频率补偿措施,价格低廉,通常用作微处理器的时钟器件;封装尺寸范围从21×14×6mm及5××;电压控制式晶体振荡器VCXO的精度是10^-6～10^-5量级,频率范围1~30MHz;低容差振荡器的频率稳定度是±50ppm;通常用于锁相环路;封装尺寸14×10×3mm;温度补偿式晶体振荡器TCXO采用温度敏感器件进行温度频率补偿,频率精度达到10^-7～10^-6量级,频率范围1—60MHz,频率稳定度为±1～±,封装尺寸从30×30×15mm至××;通常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设备等;恒温控制式晶体振荡器OCXO将晶体和振荡电路置于恒温箱中,以消除环境温度变化对频率的影响;OCXO频率精度是10^-10至10^-8量级,对某些特殊应用甚至达到更高;频率稳定度在四种类型振荡器中最高;三、石英晶体振荡器的主要参数晶振的主要参数有标称频率,负载电容、频率精度、频率稳定度等;不同的晶振标称频率不同,标称频率大都标明在晶振外壳上;如常用普通晶振标称频率有：48kHz、500 kHz、kHz、1MHz～ MHz等,对于特殊要求的晶振频率可达到1000 MHz以上,也有的没有标称频率,如CRB、ZTB、Ja等系列;负载电容是指晶振的两条引线连接IC块内部及外部所有有效电容之和,可看作晶振片在电路中串接电容;负载频率不同决定振荡器的振荡频率不同;标称频率相同的晶振,负载电容不一定相同;因为石英晶体振荡器有两个谐振频率,一个是串联揩振晶振的低负载电容晶振：另一个为并联揩振晶振的高负载电容晶振;所以,标称频率相同的晶振互换时还必须要求负载电容一至,不能冒然互换,否则会造成电器工作不正常;频率精度和频率稳定度：由于普通晶振的性能基本都能达到一般电器的要求,对于高档设备还需要有一定的频率精度和频率稳定度;频率精度从10^-4量级到10^-10量级不等;稳定度从±1到±100ppm不等;这要根据具体的设备需要而选择合适的晶振,如通信网络,无线数据传输等系统就需要更高要求的石英晶体振荡器;因此,晶振的参数决定了晶振的品质和性能;在实际应用中要根据具体要求选择适当的晶振,因不同性能的晶振其价格不同,要求越高价格也越贵,一般选择只要满足要求即可;四、石英晶体振荡器的发展趋势1、小型化、薄片化和片式化：为满足移动电话为代表的便携式产品轻、薄、短小的要求,石英晶体振荡器的封装由传统的裸金属外壳覆塑料金属向陶瓷封装转变;例如TCXO这类器件的体积缩小了30～100倍;采用SMD封装的TCXO厚度不足2mm,目前5×3mm 尺寸的器件已经上市;2、高精度与高稳定度,目前无补偿式晶体振荡器总精度也能达到±25ppm,VCXO的频率稳定度在10～7℃范围内一般可达±20～100ppm,而OCXO在同一温度范围内频率稳定度一般为±～5ppm,VCXO控制在±25ppm以下;3、低噪声,高频化,在GPS通信系统中是不允许频率颤抖的,相位噪声是表征振荡器频率颤抖的一个重要参数;目前OCXO主流产品的相位噪声性能有很大改善;除VCXO外,其它类型的晶体振荡器最高输出频率不超过200MHz;例如用于GSM等移动电话的UCV4系列压控振荡器,其频率为650～1700 MHz,电源电压～,工作电流8～10mA;4、低功能,快速启动,低电压工作,低电平驱动和低电流消耗已成为一个趋势;电源电压一般为;目前许多TCXO和VCXO产品,电流损耗不超过2 mA;石英晶体振荡器的快速启动技术也取得突破性进展;例如日本精工生产的VG—2320SC型VCXO,在±规定值范围条件下,频率稳定时间小于4ms;日本东京陶瓷公司生产的SMD TCXO,在振荡启动4ms后则可达到额定值的90%;OAK公司的10～25 MHz的OCXO产品,在预热5分钟后,则能达到± ppm的稳定度;五、石英晶体振荡器的应用1、石英钟走时准、耗电省、经久耐用为其最大优点;不论是老式石英钟或是新式多功能石英钟都是以石英晶体振荡器为核心电路,其频率精度决定了电子钟表的走时精度;从石英晶体振荡器原理的示意图中,其中V1和V2构成CMOS反相器石英晶体Q与振荡电容C1及微调电容C2构成振荡系统,这里石英晶体相当于电感;振荡系统的元件参数确定了振频率;一般Q、C1及C2均为外接元件;另外R1为反馈电阻,R2为振荡的稳定电阻,它们都集成在电路内部;故无法通过改变C1或C2的数值来调整走时精度;但此时我们仍可用加接一只电容C有方法,来改变振荡系统参数,以调整走时精度;根据电子钟表走时的快慢,调整电容有两种接法：若走时偏快,则可在石英晶体两端并接电容C,如图4所示;此时系统总电容加大,振荡频率变低,走时减慢;若走时偏慢,则可在晶体支路中串接电容C;如图5所示;此时系统的总电容减小,振荡频率变高,走时增快;只要经过耐心的反复试验,就可以调整走时精度;因此,晶振可用于时钟信号发生器;2、随着电视技术的发展,近来彩电多采用500kHz或503 kHz的晶体振荡器作为行、场电路的振荡源,经1/3的分频得到 15625Hz的行频,其稳定性和可靠性大为提高;面且晶振价格便宜,更换容易;3、在通信系统产品中,石英晶体振荡器的价值得到了更广泛的体现,同时也得到了更快的发展;许多高性能的石英晶振主要应用于通信网络、无线数据传输、高速数字数据传输等晶振的负载电容晶体元件的负载电容是指在电路中跨接晶体两端的总的外界有效电容;是指晶振要正常震荡所需要的电容;一般外接电容,是为了使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容;要求高的场合还要考虑ic输入端的对地电容;应用时一般在给出负载电容值附近调整可以得到精确频率;此电容的大小主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻;晶振的负载电容=CdCg/Cd+Cg+Cic+△C式中Cd,Cg为分别接在晶振的两个脚上和对地的电容,Cic集成电路内部电容+△CPCB上电容.就是说负载电容15pf的话,两边个接27pf的差不多了,一般a为～各种逻辑芯片的晶振引脚可以等效为电容三点式振荡器. 晶振引脚的内部通常是一个反相器, 或者是奇数个反相器串联. 在晶振输出引脚 XO 和晶振输入引脚 XI 之间用一个电阻连接, 对于 CMOS 芯片通常是数 M 到数十 M 欧之间. 很多芯片的引脚内部已经包含了这个电阻, 引脚外部就不用接了. 这个电阻是为了使反相器在振荡初始时处与线性状态, 反相器就如同一个有很大增益的放大器, 以便于起振. 石英晶体也连接在晶振引脚的输入和输出之间, 等效为一个并联谐振回路, 振荡频率应该是石英晶体的并联谐振频率. 晶体旁边的两个电容接地, 实际上就是电容三点式电路的分压电容, 接地点就是分压点. 以接地点即分压点为参考点, 振荡引脚的输入和输出是反相的, 但从并联谐振回路即石英晶体两端来看, 形成一个正反馈以保证电路持续振荡. 在芯片设计时, 这两个电容就已经形成了, 一般是两个的容量相等, 容量大小依工艺和版图而不同, 但终归是比较小, 不一定适合很宽的频率范围. 外接时大约是数PF 到数十 PF, 依频率和石英晶体的特性而定. 需要注意的是: 这两个电容串联的值是并联在谐振回路上的, 会影响振荡频率. 当两个电容量相等时, 反馈系数是 , 一般是可以满足振荡条件的, 但如果不易起振或振荡不稳定可以减小输入端对地电容量, 而增加输出端的值以提高反馈量.设计考虑事项：1.使晶振、外部电容器如果有与 IC之间的信号线尽可能保持最短;当非常低的电流通过IC晶振振荡器时,如果线路太长,会使它对 EMC、ESD 与串扰产生非常敏感的影响;而且长线路还会给振荡器增加寄生电容;2.尽可能将其它时钟线路与频繁切换的信号线路布置在远离晶振连接的位置;3.当心晶振和地的走线4.将晶振外壳接地如果实际的负载电容配置不当,第一会引起线路参考频率的误差.另外如在发射接收电路上会使晶振的振荡幅度下降不在峰点,影响混频信号的信号强度与信噪.当波形出现削峰,畸变时,可增加负载电阻调整几十K到几百K.要稳定波形是并联一个1M左右的反馈电阻.。