壓控晶體振蕩器

英文：Voltage Control X-tal[Crystal] Oscillator

壓控晶體振蕩器（VCXO）是通過紅外加控制電壓使振蕩效率可變或是可以調製的。是一種與晶體諧振器串聯插入變容二極體，根據外部加入的電壓使二極體的容量發生變化，來達到輸出頻率可根據晶體諧振器的負載電容特性變化的晶體振蕩器。

VCXO主要由石英諧振器、變容二極體和振蕩電路組成，其工作原理是通過控制電壓來改變變容二極體的電容，從而“牽引”石英諧振器的頻率，以達到頻率調製的目的。VCXO大多用於鎖相技術、頻率負反饋調製的目的。

石英晶體振蕩器是由品質因素極高的石英晶體振子（即諧振器和振蕩電路組成。晶體的品質、切割取向、晶體振子的結構及電路形式等，共同決定振蕩器的性能。壓控晶體振蕩器具有以下特點：

(1)低抖動或低相位雜訊：由於電路結構、電源雜訊以及地雜訊等因素的影響，VCO的輸出信號並不是一個理想的方波或正弦波，其輸出信號存在一定的抖動，轉換成頻域后可以看出信號中心頻率附近也會有較大的能量分佈，即是所謂的相位雜訊。VCO輸出信號的抖動直接影響其他電路的設計，通常希望VCO的抖動越小越好。

(2)寬調頻範圍：VCO的調節範圍直接影響著整個系統的頻率調節範圍，通常隨著工藝偏差、溫度以及電源電壓的變化，VCO的鎖定範圍也會隨著變化，因此要求VCO有足夠寬的調節範圍來保證VCO的輸出頻率能夠滿足設計的要求。

(3)穩定的增益：VCO的電壓——頻率非線性是產生雜訊的主要原因之一，同時，這種非線性也會給電路設計帶來不確定性，變化的VCO增益會影響環路參數，從而影響環路的穩定性。因此希望VCO的增益變化越小越好。

常見的壓控振蕩器主要有反相器型VCO、差分對型VCO以及LC型VCO。

反相器型VCO的核心是由奇數個反相器組成，振蕩頻率由每個反相器的延時以及反相器的個數決定的。每個單元的延時時間與流過反相器的電流、電壓、工藝有關。這種結構的VCO優點是電路設計簡單，振蕩頻率可以被設計得很高，但是它對電源或地的雜訊比較敏感，相位抖動較大。

差分對型VCO主要由差分對延時構成，其環路構成如圖1所示。差分延時單元由壓控電流源、電阻負載以及NMOS管構成。通過控制壓控電流源的電流控制振蕩頻率。差分對型VCO的優點是差分信號可以抑制地雜訊或電源雜訊，相位抖動較小，缺點是帶寬有限，不適於高頻應用。

LC型VCO的特點是：由於LC諧振腔的Q值很高，因而這種類型的VCO的相位雜訊很低，因而常用於對頻率抖動要求非常低的頻率合成器中。並且這種結構的工作頻率只與電感L和電容C有關，通過減小電感或電容並減小電路的寄生電容可以使得電路工作在很高的工作頻率下。

圖2是常見的負跨導LC型VCO結構，從MOS管漏端反饋回來的信號通過另一個MOS管反饋到該MOS管的源端，假設MOS管的跨導為gm，則從圖3(a)虛線端向上看的阻抗是-2/gm，這是一個負阻，它是由兩個交叉MOS管正反饋所產生的。通常，如果要使得振蕩器振蕩，這個負阻應小於或等於LC諧振腔的等效並聯內阻，也就是說MOS管的跨導越大，負阻越小，電路越容易振蕩。在振蕩情況下，電路的振蕩頻率與L和C有關，即為，電容C是壓控電容，通過調節電壓Vcont可以調節電容的大小，從而改變電路的振蕩頻率。圖3(b)，(c)的結構與圖3(a)相似，圖3(a)結構對電源雜訊的抑制能力較強，圖3(b)結構對地雜訊的抑制能力較強，圖3(c)兼有前兩種結構的優點，而且只需一個電感就能實現，這樣可以減小前兩種結構電感不對稱造成的電路共模抑制能力降低的問題。相對於前面兩個電路，這個電路也有缺點，即該電路有2個電流源，因而電源雜訊較大。

圖3是一種差分結構的LC型VCO，假定NMOS與PMOS具有相等的跨導gm，則這種結構的負阻為～1/gm，比圖3結構的負阻減小1/2，由於，如果要使得圖4和圖3兩種結構具有相同的負阻，那麼圖4結構所需的電流只有圖3的1/4，因而圖4結構更適於低功耗設計。

1.頻率大小：頻率越高一般價格越高。但頻率越高，頻差越大，從綜合角度考慮，一般工程師會選用頻率低但穩定的晶振，自己做倍頻電路。總之頻率的選擇是根據需要選擇，並不是頻率越大就越好。要看具體需求。比如基站中一般用10MHz的恆溫晶振（OCXO），因其有很好的頻率穩定性，屬於高端晶振。至於範圍，晶振的頻率做的太高的話，就會失去意義，因為有其他更好的頻率產品代替。JFVNY的產品頻率範圍是：25kHz-1.3G，基本上所有應用中的晶振都可以在JFVNY產品種找到。

2.頻率穩定度：關鍵參數，JFVNY的高端晶振可以達到10-9級別。指在規定的工作溫度範圍內，與標稱頻率允許的偏差，用PPm（百萬分之一）表示。一般來說，穩定度越高或溫度範圍越寬，價格越高。對於頻率穩定度要求±20ppm或以上的應用，可使用普通無補償的晶體振蕩器。對於介於±1 至±20ppm 的穩定度，應該考慮溫補晶振TCXO 。對於低於±1ppm 的穩定度，應該考慮恆溫晶振OCXO。如果客戶有十分特別的頻穩要求，JFVNY可根據客戶要求參數定做。

3.電源電壓：常用的有1.8V、2.5V、3.3V、5V等，其中3.3V應用最廣。

4.輸出：根據需要採用不同輸出。（HCMOS，SINE，TTL，PECL，LVPECL，LVDS，LVHCMOS等）每種輸出類型都有它的獨特波形特性和用途。應該關注三態或互補輸出的要求。對稱性、上升和下降時間以及邏輯電平對某些應用來說也要作出規定，根據客戶需要我們可以幫助客戶選型。

5.工作溫度範圍：工業級標準規定的-40～+85℃這個範圍往往只是出於設計者們的習慣，倘若-20℃～+70℃已經夠用，那麼就不必去追求更寬的溫度範圍。對於某些特殊場合如航天軍用等，對溫度有更苛刻的要求。

6.相位雜訊和抖動：相位雜訊和抖動是對同一種現象的兩種不同的定量方式，是對短期穩定度的真實度量。振蕩器以及其它利用基波或諧波方式的晶體振蕩器具有最好的相位雜訊性能。採用鎖相環合成器產生輸出頻率的振蕩器比採用非鎖相環技術的振蕩器一般呈現較差的相位雜訊性能。但相對的，擁有好的相位雜訊和抖動的同時振蕩器的設計複雜，體積大，頻率低，造價高。實際上相位雜訊和抖動是短期頻率穩定度的度量，所以一般越高端的晶振，即頻穩越好的晶振，這些指標也相應越好。

7.牽引範圍（VCXO）：是針對VCXO的參數。帶有壓控功能的晶振為（VCXO），即通過調節控制電壓改變輸出頻率。牽引範圍為變化頻率(增大或減少)與中心頻率的比值。此值一般用ppm表示。通常牽引範圍大約為100 - 200ppm，取決於VCXO的結構和所選擇的晶體。

8.封裝：與其它電子元件相似，石英振蕩器亦採用愈來愈小型的封裝。通常，較小型的器件比較大型的表面貼裝或穿孔封裝器件更昂貴。所以，小型封裝往往要在性能、輸出選擇和頻率選擇之間作出折衷。JFVNY振蕩器有插件(DIP)、貼片(SMD)封裝，插件如長方形的DIP14封裝，正方形的DIP8封裝等，貼片有7.0*5.0、6.0*3.5mm，5.0*3.2mm，3.2*2.5mm，2.5*2.0mm等封裝。

9.老化率：隨著時間的推移，頻率值隨著變化的大小，有年老化和日老化兩種指標。JFVNY的高精度恆溫晶振（OCXO）可以達到10-8 ppm/年。

某彩色電視接收機VHF調諧器中第6-12頻段的本振電路如圖所示電路中，控制電壓VC為0.5-30V，改變這個電壓，就使變容管的結電容發生變化，從而獲得頻率的變化。由圖4可見，這是一典型的西勒振蕩電路，振蕩管呈共集電極組態，振蕩頻率約為170-220MHz ，這種通過改變直流電壓來實現頻率調節的方法，通常稱為電調諧，與機械調諧相比它有很大的優越性。