[发明专利]一种压控温度补偿晶体振荡器

说明书

技术领域

本发明属于晶体振荡器技术领域，更为具体地讲，涉及一种可变中心频率的压控温度补偿晶体振荡器(Voltage Controlled Temperature Compensate X’tal Oscillator，VCTCXO)。

背景技术

晶体振荡器利用具有压电效应的石英晶体片制成，它在受到外加交变电场的作用时会产生机械振动。由于石英晶体振荡器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被广泛应用于各种通信设备中。其中使用最多的AT切型的石英晶体谐振器，其频率随温度变化关系呈三次曲线。

压控晶体振荡器(Voltage Controlled Crystal Oscillator，VCXO)由晶体谐振器(石英晶体)、变容二极管和振荡电路组成，通过控制变容二极管的电压，来改变变容二极管的电容，从而“牵引”晶体谐振器的频率，使得压控晶体振荡器输出频率可以在中心频率上下的一个范围内移动，以达到调整压控晶体振荡器输出频率的目的。

温度补偿晶体振荡器(Temperature Compensate Crystal Oscillator，TCXO)的工作原理是利用变容二极管在不同反向电压下的电容不同的特性，用一个VCXO和温度补偿网络构成。通过调节不同温度下变容二极管的电压来改变晶体谐振器(石英晶体)的负载电容，从而晶体振荡器的输出频率，最终减少晶体振荡器输出频率在整个工作温度范围内的变化，使其达到输出频率基本不随温度而变化的目的。

压控温度补偿晶体振荡器(Voltage Controlled Temperature Compensate X’tal Oscillator，简称VCTCXO)是同时具有温度补偿、输出频率可电压调整的晶体振荡器。它兼具了VCXO和TCXO的优点，但是结构相比更为复杂。普通VCXO和TCXO都是在独立条件下对晶振荡器的输出频率进行调节和温度稳定性补偿的，而一般的VCTCXO也都是将振荡器的温度补偿功能和输出频率调整功能进行简单叠加，这样由于调整(补偿)的非线性特性，其频率温度稳定度将下降，而且输出频率调整范围越大，频率温度稳定度将下降越多。

为了实现压控温度补偿晶体振荡器(VCTCXO)，研究人员纷纷提出了自己的构想，其总体思路都是接入两个变容二极管，一个用来补偿晶体振荡器输出频率的温度漂移，实现TCXO，另一个受外加电压控制用来调整晶体振荡器的输出中心频率，实现VCXO。目前最常用的实现方案是用两个变容二极管并联构成，一个用来补偿频率温度飘逸实现TCXO，一个用来改变振荡器的中心频率实现VCXO。如芬兰Micro Analog Systems(MAS)公司生产的MAS6270/6279 VCTCXO芯片和日本Asahi Kasei公司生产的AK2151/2152 VCTCXO芯片

晶体振荡器中接入变容二极管，其本质都是改变晶体谐振器的负载电容，其输出频率受非线性方程控制，不满足线性叠加原理。因此，这种两个变容二极管并联的方案，是存在不足的，下面对此进行说明。

晶体谐振器中石英晶体(晶体谐振器)串联负载电容C_L的等效电路，如图1所示(XH Huang,D Liu,Y Wang,Y Chen,Precise Derivation for the Equivalent Circuit Parameters of a Crystal Resonator with Series Capacitor,IEEE Transactions on Ultrasonics,ferroelectrics,and Frequency Control,Vol.59,No.6,pp.1316-1317,2012.)。石英晶体的谐振频率受下面的方程约束：