【技术探讨】星空时频，晶体振荡器的温度补偿技术原理介绍

时间： 2021-10-01 来源：星空时频

温补晶振即温度补偿晶体振荡器（TCXO），是通过附加的温度补偿电路使由周围温度变化产生的振荡频率变化量削减的一种石英晶体振荡器。本文星空时频介绍了有关晶体振荡器的温度补偿技术。

晶体振荡器

晶体振荡器是以晶体谐振器为关键元件构成的频率输出器件，,在现代电子技术领域具有非常广泛的应用。

在窄温( -20～+ 60℃) 情况下，无补偿措施的普通晶振（PXO) 是可以满足要求的。由振子本身的温度特性所决定的这类晶振由于采用了Q值高达几万甚至上百万的晶体振子 ,其稳定度一般在 ±10×10-6～ ±100 ×10-6之间。而在温度稳定度要求较高及宽温(-55～+125℃)情况下，需采用温补( TCXO）或恒温晶振(OCXO) 。

稳定度是 TCXO 的主要参数和设计目标。对模拟补偿来说 ,稳定度的高低不但取决于网络的灵敏度、补偿精度及补偿效果 ,还取决于网络、晶体及变容二极管之间温度特性的良好匹配。为了提高量级 ,在设计制作 TCXO 时,除了要合理设计晶体的切型、切角 ,严格控制晶片的加工工艺外 ,还要做好热敏网络的优化设计及精细制作结构合理、性能稳定的温补网络。

晶振工作原理

晶体振荡器(XO) 的电路结构虽然种类较多 ,但其工作原理基本相同 ,都是在正反馈自激振荡电路(图1)的基础上 ,以晶体振子作为振荡回路的谐振和控制元件 ,构成负阻型(图2) 或反馈型(图3、图4) 电路 ,在晶体振子的最佳谐振频率点上 ,获得具有稳定相位和振幅的频率输出。

图1为一典型正反馈自激振荡电路框图 ,其中包含放大器与反馈网络两部分。若在放大器的输入端加一输入信号VS,经放大器放大后输出为V0,V0=KVS,然后再经过反馈网络,其反馈系数为β,将V0的一部分反馈至输入端，若反馈信号与输入信号同相位,则构成一正反馈回路,其结果是将原输入信号加强。如果此反馈信号的幅度又足够满足β·V0>VS,那么 ,即使去掉VS,电路也能维持信号输出 ,这就形成了振荡。对于具有正反馈特性的放大器 ,其放大倍数为：

当 1-β˙k0=0(即Kβ= 1)时,˙Kf→ ∞,其物理意义是没有输入信号也能维持输出 ,即自激振荡的情况。自激振荡的起振是无须外加讯号的。当电路内部存在某种扰动,如电流接通的瞬间及电路内部的热扰动等引起的微小电压变化，则通过电路的正反馈将逐步加强。在振荡开始时Kβ>1,由于电路的非线形元件的作用使K逐渐减小,最后达到Kβ=1,从而形成具有稳定振幅的振荡。

补偿原理

TCXO的补偿方法有直接补偿和间接补偿。直接补偿仅适用于稳定度要求不太高的场合 ,实际中多采用间接补偿。间接补偿又分为模拟补偿和数字补偿。数字补偿是利用 D/A电路进行fT/DT变换,通过热敏元件的VC～T关系找到对应fT的DA～V关系,最终利用二进制码数来控制和稳定输出频率。模拟补偿是利用热敏元件的V～T特性,通过电阻网络的电压自动调节功能改变振荡晶体的容性负载而稳定振荡器的输出频率。数字补偿目前仍处于研究和探索阶段 ,温补晶振的设计和制作大多采用模拟补偿。

模拟补偿的网络结构

图5是一种常用的模拟补偿电路。稳定的直流电源通过热敏网络输出一随温度变化而变化的电压V0,变化的V0反向加在作为晶体的负载电容变容二极管上。变容二极管的温度系数较小(约为0.01%/ ℃) ,其容量主要取决于所加反向直流电压的大小(变容二极管的C～V特性见图 6)热敏网络中的热敏元件使热敏网络的输出电压随温度变化 ,这种电压变化又通过变容二极管使晶体的负载电容随温度变化 ,负载电容的改变会造成晶体频率的改变(晶体的阻抗频率特性参见图7),从而造成频率随温度变化,使振荡器的频率得到补偿 ,这就是补偿原理 ,常用的AT切晶体的f～T曲线如图8中(a) 所示,(b)为热敏网络和变容二极管共同作用下晶体f～T曲线的改变,可以看出,它的变化趋势与(a)是完全相反的,抵消了(a) 的变化。图 8(c)为补偿效果曲线 ,理想情况下是一条直线。

补偿网络的制作过程首先是通过在振荡器的整个工作温度范围内进行V0测试(测电压),求得图8中的曲线(a) ,以实测的V0值作为设计、选配和组装网络的依据。因此测电压及测成品是网络设计制作的关键。由于网络与变容二极管、晶体之间温度性能的匹配不良 ,有时甚至须重复测电压→计算→配网络→测成品的过程多次 ,且测电压和测成品均需一定的恒温保持时间 ,因此 ,这个过程是影响TCXO制作周期及生产效率的最为耗时的环节。图 9 为 N TC 热敏电阻的R~T特性曲线。

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