压控晶体振荡器是众多石英晶体振荡器的一种,主要用于调频及锁相技术。具有传输性能好、抗干扰性强、节省功率等优点,因此,许多地面移动通讯设备、机载通讯设备都采用调频制,压控晶体振荡器就是其中一个重要部件。该篇文章以一种小型的压控晶振为例,简要介绍一下压控晶体振荡器的设计。

1 压控晶体振振荡器的工作原理

用外加电压对晶振的频率进行控制,这就是压控晶振,压控频偏和压控线性是压控晶振要解决的2个主要问题,下面介绍的一种压控晶振,中心频率为2.048MHz/2V,压控频偏为100ppm.(2V±2V),频率稳定度为5×10-6/(0～70℃),输出波形为方波,体积为20mm×13mm×8mm,其电路原理图如图1所示。

图1中D1为变容二极管,R1、C3、D1构成压控回路,Y1为石英晶体谐振器,Y1、C1、C2、Q1构成振荡回路,Q2、IC构成频率与波形变换回路。

1.1 晶体谐振器的选择

石英晶体谐振器作为压控晶体振荡器中的关键元件,其指标对压控晶振的压控频偏有很大影响。将晶体谐振器与一负载电容CL串联,并忽略谐振器的损耗,则谐振器的相对频率偏移为:

式(1)对CL求偏导,得负载电容对频率的牵引率为

由式(2)可知增大谐振器的动态电容Cq可增大频率牵引率。但频率牵引率随泛音次数的增加急剧减小。令Cq1为泛音谐振器的动态电容,则有Cq=n2×Cq1,可见如果晶体振荡器想获得大的压控频偏,应采用基音谐振器。对于设计的2.048MHz电路,如果直接使用2.048MHz的基音晶体,那么谐振器的尺寸就太大了,无法实现,因此采用16.384MHz的基音晶体,起振后再进行八分频,满足指标的同时,大大缩小了体积。

1.2 变容二极管的选择

变容二极管作为压控晶振中的关键元件,其性能和使用方法对振荡器的压控频偏和压控线性影响很大。令变容二极管的结电容为Cj,令加在变容二极管两端的反向偏压为VR,则有

式(3)中,K为常数,<为接触电势差,n为变容指数。变容指数n为变容二极管的重要电参数之一,

它是指在规定的反向偏压下,双对数坐标中变容二极管的电容随电压的变化斜率,n值越大,C2V特性曲线越陡。n值是反向偏压的函数,在某一特定偏压下n值有一个最大值nmax,此时对应的电压称为中心电压,在中心电压下,变容二极管的电容称为中心电容。

在压控晶体振荡器中,晶体与变容二极管的连接方式有串联与并联2种,串连时应选择n=1的变容二极管,并联时应选择C2V特性曲线线性变化的变容二极管,在设计中采用的是变容二极管与晶体串联的方式。

一般来讲由于贴片晶振的个体特性比较明显,还有变容二极管的特性也不是绝对的一致,所以压控晶体振荡器的压控线性严格来讲都要经过调整,通过改变电路的元件值,来改善压控频偏与压控线性度。例如可以通过对压控电压分压,改变中心电压值来改善压控线性度,也可以在变容二极管上串联、并联、或串并联电容来改善压控线性度,还可以用2个变容二极管背靠背连接来改善压控线性度,在实际应用中可以视情况本着简化电路,节约成本的原则而定。

变容二极管作为压控晶体振荡器中的关键元件,选择时应注意以下几点:①变容二极管的中心电容要合适;②变容二极管的Cj～VR特性的平均斜率要足够大;③变容二极管的Cj～VR特性曲线的线性要能满足要求。

在设计的2.048MHz电路中,我们选用了型号为HVU417C的变容二极管,表1是试验过程中5只晶振的压控指标。从试验结果可以看出,无论是压控频偏还是压控对称性、压控线性均能满足指标,且电路一致性很好,适宜大批量生产。

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