压控晶振电路原理_压控晶体振荡器分类

压控晶振（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，其振荡频率由晶体决定，可用控制电压在小范围内进行频率调整。VCXO大多用于锁相技术、频率负反馈调制的目的。控制电压范围一般为0V至2V或0V至3V。VCXO的调谐范围为±100ppm至±200ppm。

压控晶振构成及原理

压控晶振主要由石英谐振器、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。

压控晶振特点

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。压控晶体振荡器具有以下特点：

（1）低抖动或低相位噪声：由于电路结构、电源噪声以及地噪声等因素的影响，VCO的输出信号并不是一个理想的方波或正弦波，其输出信号存在一定的抖动，转换成频域后可以看出信号中心频率附近也会有较大的能量分布，即是所谓的相位噪声。VCO输出信号的抖动直接影响其他电路的设计，通常希望VCXO的抖动越小越好。

（2）宽调频范围：VCO的调节范围直接影响着整个系统的频率调节范围，通常随着工艺偏差、温度以及电源电压的变化，VCXO的锁定范围也会随着变化，因此要求VCXO有足够宽的调节范围来保证VCXO的输出频率能够满足设计的要求。

（3）稳定的增益：VCO的电压——频率非线性是产生噪声的主要原因之一，同时，这种非线性也会给电路设计带来不确定性，变化的VCXO增益会影响环路参数，从而影响环路的稳定性。因此希望VCXO的增益变化越小越好。

压控晶振的参数及选型

1.频率大小：频率越高一般价格越高。但频率越高，频差越大，从综合角度考虑，一般工程师会选用频率低但稳定的晶振，自己做倍频电路。总之频率的选择是根据需要选择，并不是频率越大就越好。要看具体需求。比如基站中一般用10MHz的恒温晶振（OCXO），因其有很好的频率稳定性，属于高端晶振。至于范围，晶振的频率做的太高的话，就会失去意义，因为有其他更好的频率产品代替。

2.频率稳定度：关键参数。指在规定的工作温度范围内，与标称频率允许的偏差，用ppm（百万分之一）表示。一般来说，稳定度越高或温度范围越宽，价格越高。对于频率稳定度要求±20ppm或以上的应用，可使用普通无补偿的晶体振荡器。对于介于±1至±20ppm的稳定度，应该考虑温补晶振TCXO。对于低于±1ppm的稳定度，应该考虑恒温晶振OCXO。

3.电源电压：常用的有1.8V、2.5V、3.3V、5V等，其中3.3V应用最广。

4.输出：根据需要采用不同输出。（HCMOS，SINE，TTL，PECL，LVPECL，LVDS，HSCL，PLL等）每种输出类型都有它的独特波形特性和用途。应该关注三态或互补输出的要求。对称性、上升和下降时间以及逻辑电平对某些应用来说也要作出规定，根据客户需要我们可以帮助客户选型。

5.工作温度范围：工业级标准规定的-40～+85℃这个范围往往只是出于设计者们的习惯，倘若-20℃～+70℃已经够用，那么就不必去追求更宽的温度范围。对于某些特殊场合如航天军用等，对温度有更苛刻的要求。

6.相位噪声和抖动：相位噪声和抖动是对同一种现象的两种不同的定量方式，是对短期稳定度的真实度量。振荡器以及其它利用基波或谐波方式的晶体振荡器具有最好的相位噪声性能。采用锁相环合成器产生输出频率的振荡器比采用非锁相环技术的振荡器一般呈现较差的相位噪声性能。但相对的，拥有好的相位噪声和抖动的同时振荡器的设计复杂，体积大，频率低，造价高。实际上相位噪声和抖动是短期频率稳定度的度量，所以一般越高端的晶振，即频稳越好的晶振，这些指标也相应越好。

7.牵引范围（VCXO）：是针对VCXO的参数。带有压控功能的晶振为（VCXO），即通过调节控制电压改变输出频率。牵引范围为变化频率（增大或减少）与中心频率的比值。此值一般用ppm表示。通常牵引范围大约为100-200ppm，取决于VCXO的结构和所选择的晶体。

8.封装：与其它电子元件相似，石英振荡器亦采用愈来愈小型的封装。通常，较小型的器件比较大型的表面贴装或穿孔封装器件更昂贵。所以，小型封装往往要在性能、输出选择和频率选择之间作出折衷。

9.老化率：随着时间的推移，频率值随着变化的大小，有年老化和日老化两种指标。SJK的高精度恒温晶振（OCXO）可以达到10-8ppm/年。

压控晶体振荡器分类

常见的压控振荡器主要有反相器型VCO、差分对型VCO以及LC型VCO。

反相器型VCO的核心是由奇数个反相器组成，振荡频率由每个反相器的延时以及反相器的个数决定的。每个单元的延时时间与流过反相器的电流、电压、工艺有关。这种结构的VCO优点是电路设计简单，振荡频率可以被设计得很高，但是它对电源或地的噪声比较敏感，相位抖动较大。

差分对型VCO主要由差分对延时构成，其环路构成如图1所示。差分延时单元由压控电流源、电阻负载以及NMOS管构成。通过控制压控电流源的电流控制振荡频率。差分对型VCO的优点是差分信号可以抑制地噪声或电源噪声，相位抖动较小，缺点是带宽有限，不适于高频应用。

LC型VCO的特点是：由于LC谐振腔的Q值很高，因而这种类型的VCO的相位噪声很低，因而常用于对频率抖动要求非常低的频率合成器中。并且这种结构的工作频率只与电感L和电容C有关，通过减小电感或电容并减小电路的寄生电容可以使得电路工作在很高的工作频率下。

LC压控振荡器图册图2是常见的负跨导LC型VCO结构，从MOS管漏端反馈回来的信号通过另一个MOS管反馈到该MOS管的源端，假设MOS管的跨导为gm，则从图3（a）虚线端向上看的阻抗是-2/gm，这是一个负阻，它是由两个交叉MOS管正反馈所产生的。通常，如果要使得振荡器振荡，这个负阻应小于或等于LC谐振腔的等效并联内阻，也就是说MOS管的跨导越大，负阻越小，电路越容易振荡。在振荡情况下，电路的振荡频率与L和C有关，即为，电容C是压控电容，通过调节电压Vcont可以调节电容的大小，从而改变电路的振荡频率。图3（b），（c）的结构与图3（a）相似，图3（a）结构对电源噪声的抑制能力较强，图3（b）结构对地噪声的抑制能力较强，图3（c）兼有前两种结构的优点，而且只需一个电感就能实现，这样可以减小前两种结构电感不对称造成的电路共模抑制能力降低的问题。相对于前面两个电路，这个电路也有缺点，即该电路有2个电流源，因而电源噪声较大。

图3是一种差分结构的LC型VCO，假定NMOS与PMOS具有相等的跨导gm，则这种结构的负阻为～1/gm，比图3结构的负阻减小1/2，由于，如果要使得图4和图3两种结构具有相同的负阻，那么图4结构所需的电流只有图3的1/4，因而图4结构更适于低功耗设计。

压控晶振应用电路

某彩色电视接收机VHF调谐器中第6-12频段的本振电路如图所示电路中，控制电压VC为0.5-30V，改变这个电压，就使变容管的结电容发生变化，从而获得频率的变化。由图4可见，这是一典型的西勒振荡电路，振荡管呈共集电极组态，振荡频率约为170-220MHz，这种通过改变直流电压来实现频率调节的方法，通常称为电调谐，与机械调谐相比它有很大的优越性。