壓控晶振中常使用 AT 切石英諧振器，通過在振蕩回路中引入一個可調元件，來實現振蕩頻率隨壓控電壓調節的功能。可調元件通常為變容二極管。變容管是一種電容可以隨著外加電壓而改變電容值的元件，通過改變加在變容管上的電壓，使得石英諧振器的負載電容發生變化，從而諧振回路的諧振頻率隨之變化，達到壓控的目的。
用外加電壓對晶振的頻率進行控制 ,這就是壓控晶振, 壓控頻偏和壓控線性是壓控晶振要解決的2 個主要問題, 下面介紹的一種壓控晶振 ,中心頻率為 2 . 048 MHz/2V ,壓控頻偏為 100 ppm∕( 2V ±2V),頻率穩定度為5 ×10-6/ ( 0 ～ 70 ℃), 輸出波形為方波,體積為20mm×13mm ×8mm。
晶體諧振器的選擇
石英晶體諧振器作為壓控晶體振蕩器中的關鍵元件 ,其指標對壓控晶振的壓控頻偏有很大影響。將晶體諧振器與一負載電容 CL 串聯 , 并忽略諧振器的損耗,則諧振器的相對頻率偏移為:ΔfLfR=Cq2/(C0+C L), ( 1)
式( 1) 對 CL 求偏導,得負載電容對頻率的牽引率為:S = CLΔf Lf R =-Cq/2( C0+CL) , (2)
由式( 2) 可知增大諧振器的動態電容 Cq 可增大頻率牽引率 。但頻率牽引率隨泛音次數的增加急劇減小。令 Cq1為泛音諧振器的動態電容, 則有 C q =n2×Cq1,可見如果晶體振蕩器想獲得大的壓控頻偏,應采用基音諧振器。對于設計的 2 . 048 MHz 電路,如果直接使用 2 . 048 MHz 的基音晶體, 那么諧振器的尺寸就太大了, 無法實現 ,因此采用16 . 384 MHz的基音晶體, 起振后再進行八分頻 , 滿足指標的同時,大大縮小了體積.
變容二極管的選擇
變容二極管作為壓控晶振中的關鍵元件, 其性能和使用方法對振蕩器的壓控頻偏和壓控線性影響很大。令變容二極管的結電容為 Cj ,令加在變容二極管兩端的反向偏壓為 VR ,則有
Cj=K(VR+ ) , (3)
式( 3)中, K 為常數, 為接觸電勢差, n 為變容指數。變容指數 n 為變容二極管的重要電參數之一 ,它是指在規定的反向偏壓下, 雙對數坐標中變容二極管的電容隨電壓的變化斜率 , n 值越大, C-V 特性曲線越陡 。 n 值是反向偏壓的函數, 在某一特定偏壓下 n 值有一個值 nmax ,此時對應的電壓稱為中心電壓 ,在中心電壓下 ,變容二極管的電容稱為中心電容。
在壓控晶體振蕩器中, 晶體與變容二極管的連接方式有串聯與并聯 2 種,串連時應選擇 n =1 的變容二極管 ,并聯時應選擇 C-V 特性曲線線性變化的變容二極管 ,在設計中采用的是變容二極管與晶體串聯的方式。一般來講由于晶體諧振器的個體特性比較明顯,還有變容二極管的特性也不是的一致 ,所以壓控晶體振蕩器的壓控線性嚴格來講都要經過調整,通過改變電路的元件值,來改善壓控頻偏與壓控線性度 。例如可以通過對壓控電壓分壓, 改變中心電壓值來改善壓控線性度, 也可以在變容二極管上串聯、并聯、或串并聯電容來改善壓控線性度, 還可以用 2 個變容二極管背靠背連接來改善壓控線性度,在實際應用中可以視情況本著簡化電路, 節約成本的原則而定。變容二極管作為壓控晶體振蕩器中的關鍵元件,選擇時應注意以下幾點 : ① 變容二極管的中心電容要合適 ; ②變容二極管的 Cj ～ VR 特性的平均斜率要足夠大; ③變容二極管的 Cj ～ VR 特性曲線的線性要能滿足要求。
在設計的 2 . 048 MHz 電路中 ,我們選用了型號為 HVU417C 的變容二極管, 表 1 是試驗過程中 5 只晶振的壓控指標 。從試驗結果可以看出 , 無論是壓控頻偏還是壓控對稱性 、壓控線性均能滿足指標 ,且電路一致性很好, 適宜大批量生產。
