石英晶振是無線通信系統(tǒng)中頻率確定元件的絕佳選擇.與電感電容,陶瓷,微帶和表面聲波諧振器等其他選擇相比,設(shè)計(jì)人員非常欣賞石英晶體的高品質(zhì)因數(shù),合理成本和溫度性能.當(dāng)石英晶體振蕩器用于無線設(shè)計(jì)時(shí),乘法和鎖相環(huán)電路通常用于擴(kuò)展無線頻譜的實(shí)際頻率范圍.

當(dāng)指定振蕩器中使用的晶體時(shí),在設(shè)計(jì)過程早期對基本參數(shù)進(jìn)行明智的考慮非常重要.當(dāng)開發(fā)壓控晶體振蕩器和溫度補(bǔ)償晶體振蕩器時(shí),這些參數(shù)變得至關(guān)重要,因?yàn)檫@些基本選擇為這些器件奠定了基礎(chǔ),并影響最終設(shè)計(jì)的成功.

進(jìn)行切割

石英在機(jī)械,電氣和化學(xué)性質(zhì)方面特別適合制造頻率控制裝置.石英晶體是從石英棒上切割下來的,石英棒在高壓釜中生長.鋸片切割石英的角度決定了晶體的許多電學(xué)性質(zhì).

無線應(yīng)用中最常見的晶體切割角度是自動(dòng)切割(見圖1).以這種方式制造的晶體在相對較高的頻率下可用,表現(xiàn)出優(yōu)異的頻率與溫度穩(wěn)定性,并且成本適中.從1兆赫到1千兆赫以上的基本諧振頻率是可能的,但是由于價(jià)格和其他限制,大多數(shù)AT切割晶體被制造成具有1.8到40兆赫之間的基本頻率.AT切割晶體的諧振模式(泛音)大約是基模的奇數(shù)倍(見圖2).為這些泛音指定的晶體通常在24至200兆赫的頻率范圍內(nèi).

圖1由于它具有頻率和成本優(yōu)勢，因此AT切割晶體首選用于無線應(yīng)用

重要規(guī)格參數(shù)

當(dāng)指定用于無線設(shè)計(jì)的晶體時(shí),一些參數(shù)特別重要,包括容差,穩(wěn)定性,溫度范圍和負(fù)載電容.這些參數(shù)需要特別考慮,因?yàn)樗鼈儗τ诤侠淼脑O(shè)計(jì)至關(guān)重要,并且還會(huì)影響特定晶體的可制造性和成本.

晶體的容差是指室溫下與目標(biāo)頻率的最大允許頻率偏差,以百萬分之幾(ppm)表示.例如,具有10Pm頻率容差的10MHz晶體可以具有高于或低于10MHz高達(dá)100赫茲(10Pm×10MhZ=100赫茲)的實(shí)際諧振頻率響應(yīng).公差默認(rèn)值范圍為30至50ppm低于10ppm的值可根據(jù)頻率和持有者以更高的價(jià)格獲得.

晶體穩(wěn)定性是在基準(zhǔn)25℃讀數(shù)的工作溫度范圍內(nèi)允許的頻率誤差.默認(rèn)值為50ppm至100ppm,不過穩(wěn)定性低至10ppm的晶體也是可用的,具體取決于所需的頻率和封裝.

對于給定的工作模式,晶體的頻率與其厚度成反比.高頻晶體較薄,對便攜式和移動(dòng)無線應(yīng)用中通常遇到的沖擊和振動(dòng)更敏感.

無線設(shè)計(jì)工程師可以使用幾個(gè)晶體支架.設(shè)計(jì)靈活性最大的最低成本持有者是HC49U.這種電阻焊接封裝是舊的焊接密封HC-18/U的直接替代品.HC80U和FD也是受歡迎的支架型號(hào).

除了無線應(yīng)用環(huán)境的機(jī)械要求,設(shè)計(jì)人員還需要考慮散熱要求.大多數(shù)無線應(yīng)用要求晶體能夠在-40℃到+85℃的工業(yè)溫度范圍內(nèi)工作.晶體也可以指定在商業(yè)溫度范圍(0℃到70℃)內(nèi)使用,對于某些產(chǎn)品,還可以指定在軍用溫度范圍(-55℃到+105℃)內(nèi)使用.

圖2AT切割晶體的泛音落在基本模式的大約奇數(shù)倍

負(fù)載電容

負(fù)載電容是指定晶體時(shí)最容易被忽略的參數(shù)之一.在流行的皮爾斯振蕩器電路中,晶體兩側(cè)都有一個(gè)接地電容,負(fù)載電容等于兩個(gè)電容加上Cstray的串聯(lián)組合.(Cstray是由有源器件的布局,電路板材料以及輸入和輸出阻抗對電路貢獻(xiàn)的電容總和.)

Cstray的一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則是5pF.如果用變?nèi)荻O管代替其中一個(gè)電容器,可以通過在變?nèi)荻O管上施加調(diào)諧電壓來“拉”頻率.這種配置可以作為簡單VCXO的基礎(chǔ).如果調(diào)諧電壓來自熱敏電阻網(wǎng)絡(luò),可以調(diào)整頻率以消除溫度的影響.這種配置是TCXO的一種方法.這兩種特性的結(jié)合稱為TCVCXO.

用于基本模式VCXO的HC49U晶體的可拉性規(guī)格可能具有以下形式:

CL=20至45pF,可拉性=-100ppm最大值,CL=20至10pF,可拉性=+100ppm最小值.

較小的晶體大約有HC49U一半的可拉性.泛音晶體的可拉性降低1/n2,其中n是泛音模式(即1,3,5等).).

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