指定用于无线设计的VCXO/TCXO晶振
石英晶体振荡器是为无线电子设备提供高精度,高Q值参数的电子元器件,现在的无线电子产品的频率信号传输大多数应用比较多的压控晶体振荡器和温度补偿晶体振荡器,这两种系列的产品性能是不管在温度还是在电压电源上,都能够灵活的调整频率参数偏差的高灵敏性晶体振荡器,VCXO晶振和TCXO晶振在各大参数系数中展现其高可靠性能.
在指定用于振荡器的晶体时,在设计过程早期就必须充分考虑基本参数,在开发压控晶体振荡器(VCXO)和温度补偿晶体振荡器(TCXO)时,这些参数变得至关重要,因为这些基本选择为这些器件奠定了基础并影响了最终设计的成功,当石英晶体振荡器用于无线设计时,乘法和锁相环电路通常用于扩展其在无线频谱上的实际频率范围,石英在机械,电气和化学性质方面非常适合制造频率控制装置,从石英棒上切下石英晶体,在高压釜中生长,锯片切穿石英的角度决定了晶体的许多电性能.
1.制造切割:
无线应用中最常用的晶体切割角度是AT切割(见图1),以这种方式制造的石英晶体可以以相对高的频率获得,表现出优异的频率与温度稳定性,并且成本适中,从1MHz到1GHz以上的基本谐振频率是可能的,但由于价格和其他限制,大多数AT切割晶体的基本频率在1.8到40MHz之间,AT切割晶体的谐振模式(泛音)大约是基模的奇数倍(见图2),为这些泛音指定的石英晶振通常落在24至200MHz的频率范围内.

2.重要规格参数:
在指定用于无线设计的贴片晶振时,某些参数特别重要,包括容差,稳定性,温度范围和负载电容,这些参数需要特别考虑,因为它们对声音设计至关重要,并且还会影响指定晶体的可制造性和成本,晶体的容差是指在室温下与目标频率的最大允许频率偏差,以百万分率(ppm)表示,例如,具有10ppm频率容差的10MHz晶体可以具有高于或低于10MHz的实际谐振频率响应,高达100Hz(10ppm×10MHz=100Hz),公差默认值范围为30至50ppm,根据频率和持有人,价格低于10ppm,价格也会上涨.
3.负载电容:
负载电容是指定晶体时最容易被忽略的参数之一,在流行的皮尔斯Oscillator电路中,晶体两侧都有一个接地电容,负载电容等于两个电容加上Cstray的串联组合,(Cstray是通过布局,电路板材料以及有源器件的输入和输出阻抗为电路提供电容的总和)在基本模式VCXO中使用的HC49U晶体的可拉性规格可能具有以下形式:CL=20至45pF,最大可拉伸性=-100ppm,CL=20至10pF,可拉伸性=+100ppm min,较小的晶体具有HC49U的约一半的可拉伸性,泛音晶体的可牵引性降低1/n2,其中n是泛音模式(即1,3,5等).
4.晶体建模:
晶体通常被建模为系列RLC网络(参见图3),其被称为模型的运动臂,通常,仅指定表示操作频率的臂,并且通常甚至将其留给制造商的默认值,在该模型中,R称为等效串联电阻(ESR),运动电容C代表石英的弹性,运动电感L表示晶体单元的振动质量,CO或并联电容是由沉积在石英坯料两侧的金属电极形成的电容,加上与支架和引线相关的电极,CO通常指定为最大7pF. 指定晶体时常见的错误是假设当电路板设计被修改为使用较小的晶体封装时,运动参数和振荡器性能将保持不变,每当设计经历"缩小"时,最好重新评估对石英振荡器设计的影响.

5.其他设计注意事项:
控制杂散响应-可能导致诸如温度异常,TCXO晶振线性凸起等问题的不需要的响应-通常是设计过程的重要部分,通常,这些不需要的响应相对于基波降低6dB,相对于泛音响应降低3dB,或者,可以根据主模式电阻比来指定这些不需要的响应,例如,6dB相当于2:1的杂散电阻比(20log10Rspur/ESR),方形和矩形晶体的开发周期通常需要更多次迭代才能实现足够的杂散抑制.
6.设计测试标准:
环境和可靠性规范在很大程度上应参考MIL-STD-883和MIL-STD-202中概述的测试程序和方法,一些程序包括冲击,振动,耐溶剂性,端子强度,总泄漏,精细泄漏,低温暴露,高温暴露,热循环,焊接耐热性等测试.
对于指定的电路操作模式,石英晶体的频率与其厚度成反比,较高频率的通常一般晶体属于较薄型的,并且在便携式和移动无线应用中会受到各种高敏感性冲击和振动,除了无线环境应用的机械需求外,设计人员还需要考虑散热要求,大多数无线应用都需要能够使用在-40°C至+85°C的工业温度范围内工作的晶体,其晶体可指定用于商业温度范围(0°C至70°C),对于某些特殊的高温晶振产品,可在军用温度范围(-55°C至+105°C)内使用.

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