晶體諧振器的頻率溫度關(guān)系 晶體振蕩器的頻率溫度特性

石英晶體諧振器（Quartz Crystal）是一種頻率精度可達(dá)ppm級(jí)的高精密頻率元件，頻率絕對(duì)精度一般在50ppm左右。但是，這種頻率精度會(huì)隨外部環(huán)境（例如，溫度）的改變而產(chǎn)生較大的偏離。如果采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路，把石英晶片與振蕩線路和集成電路（IC）封裝在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的小環(huán)境內(nèi)，成為各種類型的晶體振蕩器（XO），就可輸出穩(wěn)定的頻率信號(hào)。

晶體諧振器的頻率溫度關(guān)系

電子線路中，石英晶體常用作參考頻率基準(zhǔn)或頻率控制元件，頻率與工作環(huán)境溫度的特性是一個(gè)很重要的參數(shù)。

為了得到較好的溫度特性，晶體廠家會(huì)選擇最佳的石英晶片制作工藝，因?yàn)椴煌懈罱嵌犬a(chǎn)生的晶體諧振器產(chǎn)品的溫度特性各不相同。其中，AT角度切割的石英晶片適用數(shù)百M(fèi)Hz以內(nèi)頻率范圍，是石英晶片應(yīng)用范圍最廣、使用量最多的一種切割作業(yè)方式。

在線路設(shè)計(jì)及晶振選型時(shí)，良好的頻率與溫度（frequency versus temperature）特性是工程師主要的選擇考慮之一。根據(jù)使用環(huán)境的不同，我們可基于溫度參數(shù)把石英晶體振蕩器分為不同等級(jí)，例如民、企、工、航天等級(jí)別，溫度范圍在-40℃~+150℃。

如果溫度升高至極端值，額定頻率的變化就開(kāi)始增大，有可能達(dá)到幾十ppm。對(duì)于一般民用，以及企業(yè)、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算等應(yīng)用，這一點(diǎn)是能夠承受的。但是，對(duì)于導(dǎo)航、雷達(dá)、無(wú)線電通信、衛(wèi)星通信等航天和航空應(yīng)用，極高的準(zhǔn)確度與精度要求是絲毫不能妥協(xié)的。

為了應(yīng)對(duì)這種巨大的變化，就必須在系統(tǒng)中增加額外的補(bǔ)償元件，例如OCXO（Oven Controlled Crystal Oscillator，恒溫槽控制石英晶體振蕩器）、TCXO（Temperature Compensated Crystal Oscillator，溫度補(bǔ)償石英晶體振蕩器）、VCXO（Voltage Controlled Crystal Oscillator，電壓控制石英晶體振蕩器）、PCXO（Programmable Crystal Oscillator，可編程石英晶體振蕩器）等振蕩器品種。

晶體振蕩器的頻率溫度特性

把石英晶片與振蕩線路或集成電路（IC）整合在一個(gè)封裝內(nèi)，再通過(guò)外部電源供電，就形成一個(gè)基于石英晶片的主動(dòng)組件，可輸出更加穩(wěn)定的頻率信號(hào)，這就是所謂的石英晶體振蕩器。

根據(jù)封裝組件內(nèi)部的振蕩線路及輸出線路的不同，石英晶體振蕩器可輸出不同特性的參考頻率（reference frequency），以滿足不同應(yīng)用的特殊需求。例如，普通石英振蕩器SPXO（Simple Package Crystal Oscillator）或稱為CXO（Clock Crystal Oscillator），可編程石英晶體振蕩器PCXO（Programmable Crystal Oscillator），電壓控制石英晶體振蕩器VCXO（Voltage Controlled Crystal Oscillator），溫度補(bǔ)償石英晶體振蕩器TCXO（Temperature Compensated Crystal Oscillator）及恒溫槽控制石英晶體振蕩器OCXO（Oven Controlled Crystal Oscillator）。

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其中，SPXO的工作完全由晶體自由振蕩完成，主要應(yīng)用于穩(wěn)定度要求不高的場(chǎng)合。

PCXO專門針對(duì)網(wǎng)絡(luò)、儲(chǔ)存、視頻和其他嵌入式產(chǎn)品應(yīng)用等高頻率及低抖動(dòng)的產(chǎn)品應(yīng)用，內(nèi)含極低抖動(dòng)的PLL，因此可依需求產(chǎn)生任何頻率。

TCXO通過(guò)感應(yīng)環(huán)境溫度，將溫度信息做適當(dāng)變換后控制晶振的輸出頻率，達(dá)到穩(wěn)定輸出頻率的效果。根據(jù)補(bǔ)償電路不同，還分為傳統(tǒng)的TCXO，采用數(shù)字化補(bǔ)償?shù)腄TCXO，用單片機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)腗CXO。

OCXO采用了恒溫槽技術(shù)，將晶體置于恒溫槽內(nèi)，通過(guò)設(shè)置恒溫工作點(diǎn)，使槽體保持恒溫狀態(tài)，在一定范圍內(nèi)不受外界溫度影響，可達(dá)到穩(wěn)定輸出頻率的效果。OCXO主要缺點(diǎn)是功耗大、體積大，需要5分鐘左右的加熱時(shí)間才能正常工作。

VCXO是為晶振增加了一項(xiàng)功能，帶壓控輸入引腳的晶振就叫VCXO。所有晶振都可以根據(jù)需要增加壓控功能，例如壓控溫補(bǔ)振蕩器（VCTCXO）等。

可見(jiàn)，OCXO的頻率溫度特性在所有晶振振蕩器類型中是最好的。隨著技術(shù)的發(fā)展，除了采用更先進(jìn)的晶片制作工藝外，還可以利用振蕩回路中關(guān)鍵電子元件的溫度特性，來(lái)補(bǔ)償晶體諧振器自身的溫漂，讓晶振輸出最佳的頻率信號(hào)。

　　審核編輯：湯梓紅