石英晶体振荡器在无线通信领域中的应用

摘要：石英晶体振荡器能够在无线电系统等应用领域中提供频率基准，是目前其它类型的振荡器尚不能替代的。该文研究了石英晶体振荡器的工作原理及TCXO、VCXO和OCXO等几类晶体振荡器的结构、特点、发展现状，分析了石英晶体在移动通信等领域的应用价值与路径问题。

关键词：振荡器；无线通讯；应用

1.引言

石英晶体振荡器因其具有频率稳定度高这一特点，故在电子技术领域中一直占有重要的地位。尤其是信息技术（IT）产业的高速发展，更为这种晶体振荡器提供了广阔的发展空间。石英晶体振荡器在远程通信、卫星通信、移动电话系统、全球定位系统（GPS）及消费类民用电子产品中，作为标准频率源或脉冲信号源，提供频率基准，是目前其它类型的振荡器所不能替代的。以移动电话为代表的便携式产品对石英晶体振荡器提出了新要求：小型化、片式化、低噪声化、频率高精度化与高稳定度及高频化。

2.石英晶体的压电效应

2.1压电效应的发现

1820年，李普曼（Lippmann）教授提出了晶体具有压电效应的理论，不久，他的学生居里兄弟通过对电气石的实验，证实了压电效应的存在。1881年，居里兄弟还通过实验验证了逆压电效应，并给出石英相同的正逆压电常数。所以，一般人都认为压电效应是皮埃尔·居里（Pierre Curie）和他的哥哥雅克斯·居里（Jacques Curie）发现的，其实这里面离不开他的老师李普曼教授的指导。皮埃尔·居里长期从事晶体方面的研究，做出许多卓有成效的工作。但后来为了给夫人提供力所能及的帮助，才放弃了晶体方面的研究工作，转而投入到放射性研究项目上去，并因为在1898年一年之内发现了钋(Po)和镭(Ra)两种新元素，获得了1903年度诺贝尔物理学奖。

1894年，福克特（W.Voigt）更严谨地定出晶体结构与压电性的关系，他发现32种晶类（class）具有压电效应。第一次世界大战期间，蓝杰文（P.Langevin）第一次利用石英晶体制成了声纳，用于探测海洋深度。此后，石英振荡器技术开始受到重视，并逐渐扩大了应用领域。

2.2石英晶体的压电效应

石英晶体（quartz crystal）的成份主要是SiO₂，晶格排列整齐，其每个晶体单元中有三个硅离子和六个氧离子（如图1），正负离子分布在正六边形的顶角上。当作用力为零时，正负电荷相互平衡，所以外部没有带电现象。

图1受到外力作用，石英晶体表面带上电荷

石英晶体具有一种特殊的物理性能，即正反两种压电效应：

如果在X轴方向施加压力（如下图b所示），则氧离子挤入硅离子2和6间，而硅离子4挤入氧离子3和5之间，结果在表面A上出现正电荷，而在B表面上出现负电荷。如果所受的力为拉力时，在表面A和B上的电荷极性就与前面的情况正好相反。所带电量基本上与拉力或压力引起的变形成正比，这种效应就是正压电效应。反之，在能产生电荷的两个面上加以交变电压，则石英晶体就会产生弹性形变，称机械振动。振动的大小与所加交变电场强度成正比。这种效应叫做反压电效应。

图2从不同方向给晶体施加外力，会产生不同的效果

如果沿y轴方向施加压力时，则在表面A和B上呈现的极性（如上c所示）。施加拉力时，电荷的极性与它相反。若沿Z轴方向施加力的作用时，由于硅离子和氧离子是对称的平移，故在表面没有电荷出现，因而不产生压电效应。

2.3基于压电效应与压电振荡的应用

石英晶体和其他弹性体一样，具有弹性和惯性，也就存在固有频率，正因如此，晶体会发生共振现象，我们利用这点：此时晶体具有最大机械振动振幅和外电路最大电流，即石英晶体具有谐振电路的特性，我们就可将其制成晶体谐振器。

方法：将二氧化硅（SiO₂）结晶体按一定的方向切割成很薄的晶片，再将晶片两个对应的表面抛光和涂敷银层，并作为两个极引出管脚，加以封装，就构成石英晶体谐振器。

图3

石英晶体的等效电路如下图（a）所示。当石英晶体不振动时，可等效为一个平板电容C0，称为静态电容；其值一般约为几到几十皮法。当晶片产生振动时，机械振动的惯性等效为电感L，其值为几毫亨，决定晶体的惯性。晶片的弹性等效为电容C，其值仅为0.01到0.1pF，决定于晶片的弹性模数。因此，C＜＜C₀。晶片的等效电阻R，其值约为100，与机械振动中的摩擦损耗有关。理想情况下R=0。

C＜＜C₀说明外电路接入系数很小，故外电路对晶体频率特性也很小。

图4

4.高稳定度石英晶体振荡回路在无线系统中的应用

石英晶体振荡器和谐振器用来产生稳定度高的频率信号或实现频率选择，广泛应用于通信计算机、汽车电子、家用电器、远程通信、卫星通信、移动电话系统、全球定位系统（GPS）、导航、遥控、航空航天、高速计算机、精密计测仪器及消费类民用电子产品中，作为标准频率源或脉冲信号源，提供频率基准，是目前其它类型的振荡器所不能替代的。

石英晶体振荡器分非温度补偿式晶体振荡器、温度补偿晶体振荡器（TCXO）、电压控制晶体振荡器（VCXO）、恒温控制式晶体振荡器（OCXO）和数字化/μp补偿式晶体振荡器（DCXO/MCXO）等几种类型。

4.1温度补偿晶体振荡器（TCXO）

TCXO没有恒流槽装置，所以它有体积小、重量轻、功耗小、可靠性高、开机后可立即工作等优点。目前在TCXO中，对石英晶体振子频率温度漂移的补偿方法主要有：

4.1.1直接补偿型

直接补偿型TCXO是由热敏电阻和阻容元件组成的温度补偿电路，在振荡器中与石英晶体振子串联而成的。在温度变化时，热敏电阻的阻值和晶体等效串联电容容值相应变化，从而抵消或削减振荡频率的温度漂移。该补偿方式电路简单，成本较低，节省印制电路板（PC_b）尺寸和空间，适用于小型和低压小电流场合。但当要求晶体振荡器精度小于±1pmm时，直接补偿方式并不适宜。

4.1.2间接补偿型

间接补偿型又分模拟式和数字式两种类型。模拟式间接温度补偿是利用热敏电阻等温度传感元件组成温度——电压变换电路，并将该电压施加到一支与晶体振子相串接的变容二极管上，通过晶体振子串联电容量的变化，对晶体振子的非线性频率漂移进行补偿。该补偿方式能实现±0.5ppm的高精度，但在3V以下的低电压情况下受到限制。数字化间接温度补偿是在模拟式补偿电路中的温度——电压变换电路之后再加一级模/数（A/D）变换器，将模拟量转换成数字量。该法可实现自动温度补偿，使晶体振荡器频率稳定度非常高，但具体的补偿电路比较复杂，成本也较高，只适用于基地站和广播电台等要求高精度化的情况。

由于TCXO具有较高的频率稳定度，其应用领域重点扩展到移动通信系统。目前高稳定度的TCXO器件，精度可达±0.05ppm。高精度、低功耗和小型化，仍然是TCXO的研究课题。温度补偿石英晶体振荡器TCXO是手机射频电路比较关键的器件，其关键技术基本掌握在日本公司手中。目前国内晶体在年老化率即在高温和低温情况下的稳定性方面还有很大差距。

4.2电压控制晶体振荡器（VCXO）

控晶体振荡器（VCXO）是通过红外加控制电压使振荡效率可变或是可以调制的石英晶体振荡器。VCXO主要由石英谐振器、变容二极管和振荡电路组成，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”石英谐振器的频率，以达到频率调制的目的。VCXO大多用于锁相技术、频率负反馈调制的目的。主要参数如下：

4.2.1频率稳定度要求

VCXO用石英晶体作频率控制元件，其振荡频率在工作温度内是稳定的。当我们对VCXO进行调谐时，振荡频率会发生改变；但偏离标称频率的各个频率值在工作温度范围内同样是稳定的。VCXO的频率偏移值同加在其调谐电路上的控制电压的大小有关。VCXO标称频率对应的调谐电压规定为VCC（电源电压）的一半。要求控制电压没有噪声或其它可能引起振荡器频率和输出波形特性发生突变的瞬态过程，这一点很重要。为把噪声减至最小，经常采取的措施是在电路板上把模拟信号与数字信号分别接地。

4.2.2线性度

VCXO振荡频率随控制电压变化的函数关系是非线性的。设计优良的VCXO，其频率与控制电压的函数曲线接近直线，偏离直线的范围控制在€?0％以内。一般来说，VCXO的牵引度越大，它的线性度就越差。大多数VCXO的频率与控制电压的函数曲线都具有正斜率而且是单调的。因此，当控制电压增加时，牵引度就变大。

4.2.3相位噪声和调制

一切振荡器都有一些振幅调制噪声和相位调制噪声。VCXO的相位噪声要受振荡器电路结构和石英晶体的影响。VCXO电源的瞬态过程或波纹产生的调制还会使它的相位噪声性能恶化。相位噪声的均方根值是由相位噪声频谱在给定带宽内求积分而推算出来的。相位噪声是根据频率相对于中心频率的偏移量来界定的，用单位dBc/Hz表示。如果应用上对相应噪声有严格要求，选用VCXO时就一定要规定相位噪声允许的范围。

4.2.4控制电压端口的输入阻抗和调制带宽

当以10kHz速率进行调制时，VCXO控制电压端口的输入阻抗通常在50k以上。VCXO典型的调制带宽为直流至20kHz。调制频率超过20kHz，VCXO输出信号中可能会出现寄生响应。在某些场合，可以采取措施使输入阻抗和调制带宽满足特殊需要。

4.2.5绝对牵引范围与标称振荡频率偏移的关系

在工业上，定义VCXO牵引度的方法有两种。一种方法叫做绝对牵引范围（APR）。这种方法定义的牵引度考虑了VCXO各相关因素产生的所有频率变化，因而给出的是总的牵引范围。简言之，APR定义的牵引度等于VCXO相对于标称振荡频率的频移同稳定性、电压变化、负载变化和老化特性等因素引起的频率变化之和。定义VCXO牵引度的第二种方法仅仅考虑相对于标称振荡频率的频率偏移。这种方法就没有考虑总体稳定性或老化特性的影响。

4.2.6工作电压与工作电流

VCXO的电源电压及其允许的误差范围，常常同器件的额定电流或最大电流一起同时加以规定。随着电源电压的降低（例如3.3V），控制电压值也将减小。借助这种较低的控制电压很难获得大范围的牵引度。如果VCXO是用小晶体封装在小型表面组装外壳内制成的话，情况更是如此。

4.2.7输出要求

VCXO可提供适合TTL、ECL、CMOS等集成电路要求的多种输出。设计人员要弄清楚设计的实际要求，只有这样，才能为特定的应用选择正确的输出类型。

VCXO技术规范中列有多项性能参数。这些参数往往是相互关联的。我们不能一味追求某些参数的高指标而忽视由此引起的其它参数的劣化。VCXO大多用于锁相技术、频率负反馈系统及频率调制，已是通信机、移动电话、寻呼机、全球定位系统（GPS）等众多电子应用系统必不可少的关键部件。

4.3恒温控制晶体振荡器（OCXO）

OCXO是利用恒温槽使晶体振荡器或石英晶体振子的温度保持恒定，将由周围温度变化引起的振荡器输出频率变化量削减到最小的晶体振荡器。利用热敏电阻“电桥”构成的差动串联放大器，来实现温度控制的。具有自动增益控制（AGC）的（C1app）振荡电路，是目前获得振荡频率高稳定度的比较理想的技术方案。

4.4 SMD石英晶体元器件

信息时代的来临，伴随着手机、笔记本电脑、数码相机、汽车及网络等应用产品市场的飞速发展，SMD石英晶体元器件的市场需求日益增长，它已成为世界石英晶体元器件制造业规模生产的主流产品，目前手机用SMD石英晶体元器件的主流产品尺寸已发展到3.2mm×2.5mm，今后2.5mm×2.0mm将取而代之。

HC-49S/SMD系列 石英晶振贴片石英晶振SMD 石英晶体振荡器（钟振）

5.结语

高稳定度、小型化是石英晶体谐振器和石英晶体振荡器的发展方向。就石英晶体振荡器而言，与国外先进水平比较，主要是在片式化、小型化、高频化和频率温度特性等方面还存在差距。就经济与教育而言，应大力发展我国IT产业，积极培养电子技术方面人才，努力缩小我国与国际上的差距。

参考文献：

[1]张义芳、冯健华 编：《高频电子线路》，哈尔滨工业大学出版社1996年第2版。

[2]于洪珍著：《通信电子电路》，电子工业出版社2002年版。

[3]清华大学通信教研组：《高频电路》，人民邮电出版社1980年版。

[4]胡宴如、耿苏燕 编：高等教育出版社2006年版。