振荡器是许多依赖于精确时间测量和协调的电子和通信系统的核心.它们用于稳定时频发生器,后者又为电子通信和导航系统提供载波和导频信号.振荡器还提供数据处理设备使用的时钟信号,以及其他专用系统的参考信号.振荡器输出频率所需的精度和稳定性取决于应用,在简单微处理器时钟的情况下,从大约1000PPM到需要非常精确频率控制的应用的小于PP5PPM.在本文中,我们将探讨通信应用中使用的基本振荡器操作和振荡器类型.

基本振荡器操作

从根本上说,振荡器由两部分组成:放大器部分和包含相位校正网络的反馈部分.

图1.0-基本振荡器配置

要使振荡器启动和运行,必须满足两个条件:1),电路周围的增益必须大于1;2),离开相位校正网络的信号必须与施加到放大器网络的信号同相.

当振荡器电路首次通电时,电路中唯一的"信号"是电噪声.在满足振荡相位要求的频率下,该噪声的分量以增加的幅度传播通过放大器和反馈部分.重复该过程,直到相位校正信号的增益足以进行稳态振荡.确切的振荡频率取决于相位条件,即相位必须等于2npi.gif-872字节,其中n=0,1,2,3.

由于信号相位的变化,振荡器的频率从一个时刻变化到下一个时刻.这种变化可能发生在振荡器的任何或所有部分中,并且必须被校正以维持特定频率.理论上,可以在振荡器电路内的所有各种系统中结合一些相位校正装置.然而,这种方法成本高并且会增加振荡器封装的尺寸.更常见的方法是仅依赖于相位校正网络.虽然有几种方法可以校正相位,但石英晶体已被证明是优越的.随着相位的变化,石英晶体的电抗发生显着变化,振荡器电路中的所有其他元件可被认为是恒定且不变的.

振荡器的类型

振荡器类型和设计的可能性几乎是无限的;事实上,晶体控制振荡器有多种类型和尺寸可供选择,采用许多不同的电路设计.但是,就本文而言,晶体控制振荡器可分为四大类:

简单封装晶体振荡器SPXO)通常用作微处理器的时钟设备.这些在汽车应用中也很常见,它们用于为新车辆中使用的各种计算机控制功能提供时钟信号.

SPXO能够提供10-5到10-4的频率精度.它们通常以1MHz至100MHz的标准频率提供,频率稳定性为100PPM.SPXO没有采用任何方法来最小化温度对器件输出频率的影响.然而,它们的低成本使其成为包括大多数计算机在内的应用的理想选择,其中温度变化最小或者不需要更高的精度和稳定性.

SPXO具有广泛的输出功能.它们有引脚和SMD两种配置;它们的尺寸范围从21mmx14mmx6mm到5mmx3.2mmx1.5mm.通常,SPXO的定价范围为每个0.90美元,数量为5000.

压控晶体振荡器(VCXO)通常用于PLL锁相环应用.它们提供了一种在窄范围内控制输出频率的方法,通常通过使用变容二极管作为调谐电容器.VCXO采用尺寸为14mmx10mmx3mm的封装,采用通孔和SMD配置.

VCXO提供的频率精度为10-6到10-5.频率范围通常为1MHz至30MHz.这些是紧公差振荡器,其频率稳定性为PP50PPM,频率可拉性为100PPM.VCXO可用于HCMOS和TTL输出,其相位噪声通常为-125至-130dBc/Hz.每个定价通常约为4.00美元,数量为5000.

温度控制晶体振荡器(TCXO)用于便携式电话,蜂窝电话,通信设备,蜂窝无线电以及航空航天和双向无线电通信.由于它们具有低电压3.0VDC格式,因此TCXO非常适用于手持式电池供电的通信设备.这些振荡器可以根据温度的影响校正输出频率.温度补偿通常由调节可变电容器的温度感测装置实现,结果是在振荡器的设计范围内的任何温度下,输出频率保持几乎恒定.TCXO可提供电压控制和温度补偿;两者都包含在内,称为VCTCXO压控温度补偿振荡器.

TCXO的频率精度大约为10-7到10-6;可用频率范围为1MHz至60MHz.TCXO通常具有较高的频率稳定性,从PP1PPM到2.5PPM.它们有通孔或SMD配置;封装尺寸范围从30mmx30mmx15mm到11.4mmx9.6mmx3.9mm.TCXO的定价通常为每个4.00美元,数量为5000.

烤箱控制晶体振荡器(OCXO)通常用于导航系统中作为定时控制设备,也用作精确频率标准.这些器件包括一个将晶体保持在恒定温度的烤箱,或一个容纳晶体和振荡器电路的温度调节室.通过将频率控制元件保持在稳定温度,消除了环境温度变化的影响.当用于精密无线电应用中的频率控制时,OCXO非常出色;然而,它们很昂贵,消耗大量电力,而且可能非常大.

OCXO能够产生大约10-10到10-8的频率精度,对于某些特殊应用,甚至更紧凑.它们还提供所有振荡器类型的最严格的频率稳定性.但是,OCXO是特殊项目,大多数频率控制产品供应商一般都不提供.OCXO的价格大约为每个250美元,数量为10个.

在本文中,我们介绍了通信和其他电子应用中使用的四种基本振荡器类型.虽然对于每个基本设计可以进行许多配置和修改,但是为特定应用选择特定振荡器类型的基本原理基于这里讨论的一般属性.