晶體振蕩器特點(diǎn)
z  在振蕩頻率上，閉合回路的相移為 2nπ。
z  當(dāng)開始加電時(shí)，電路中**的信號(hào)是噪聲。滿足振蕩相位條件的頻率噪聲分量以增
大的幅度在回路中傳輸，增大的速率由附加分量，即小信號(hào)，回路益增和晶體網(wǎng)絡(luò)
的帶寬決定。
z  幅度繼續(xù)增大，直到放大器增益因有源器件（自限幅）的非線性而減小或者由于某
一自動(dòng)電平控制而被減小。
z  在穩(wěn)定狀態(tài)下，閉合回路的增益為 1。
 振蕩與穩(wěn)定度
z  如果產(chǎn)生相位波動(dòng) ? Δ ，頻率必然產(chǎn)生偏移 f Δ ，以維持 π n 2 的相位條件。對(duì)于串
聯(lián)諧振振蕩器， L Q ff 2// ? Δ ? =Δ ， 是網(wǎng)絡(luò)中晶體的負(fù)載值Q值?！跋辔恍?br>率”
L Q
dfd / ? 是與靠近串聯(lián)諧振頻率的 成正比的（見第三部分“等效電路”和
“頻率與電抗的關(guān)系”）。
L Q
z  大多數(shù)振蕩器均工作在“并聯(lián)諧振”上，電抗與頻率斜率的關(guān)系 ，即“逆
電容”是與晶體器件的動(dòng)態(tài)電容 C1成反比的。
dfdx /
z  相對(duì)于振蕩回路中的相位（電抗）波動(dòng)的*高頻率穩(wěn)定度來說，相位斜率（或電抗
斜率）必須*大，即 C1 應(yīng)當(dāng)*小，而 應(yīng)當(dāng)*大。石英晶體器件的高 值和高
的逆電容，決定振蕩器元件的基本頻率（或頻率穩(wěn)定度）。
L Q Q
 
可調(diào)性和穩(wěn)定度
要使振蕩器諧調(diào)在寬的頻率范圍內(nèi)，就會(huì)降低其穩(wěn)定度，因?yàn)橐拐袷幤靼匆筮M(jìn)行調(diào)
諧，同時(shí)也會(huì)使振蕩器容易受不合要求的調(diào)諧因素影響。調(diào)諧范圍越寬，就越難以保持高的
穩(wěn)定度。例如，如果設(shè)計(jì) OCXO 的短期穩(wěn)定度在某一平均時(shí)間為 1×10-12，而可調(diào)性為 1
×10-7，則晶體的負(fù)載電抗在上述平均時(shí)間必須穩(wěn)定在上 1×10-5。要獲得這樣的穩(wěn)定度使
困難的，因?yàn)橛绊懾?fù)載電抗的因素有：寄生電容和電感、變?nèi)荻O管的電容與電壓特性的穩(wěn)
定度，以及加在變?nèi)荻O管上的電壓的穩(wěn)定度。此外，1×10-5 的負(fù)載電抗穩(wěn)定度不僅必須
在開始條件下保持，而且在環(huán)境條件（溫度、振動(dòng)、輻射等）變化時(shí)，也必須保持。
同時(shí)，高穩(wěn)定度 10 MHz 的恒溫壓控晶振的頻率調(diào)整范圍為 5×10-7，老化率為 2×
10-8/y，而寬調(diào)諧范圍的 10 MHz 壓控晶振的調(diào)諧范圍為 50 ppm，老化率為 2 ppm/y。 
 
 
 

每一種 OCXO 都主要由三部分組成，即石英晶體，持續(xù)電路和恒溫，他們都會(huì)引起不
穩(wěn)定。不同情況下的不穩(wěn)定將會(huì)在第 3 章余下的部分和第 4 章中討論
振蕩器的不穩(wěn)定性——通常表達(dá)式 
  
這里的QL是諧振器受到的載荷Q，dφ(ff)是在閉合電路發(fā)生小變化后，遠(yuǎn)離信號(hào)頻率f的
偏移頻率ff相位。系統(tǒng)的相位變化和閉合電路中的相位噪聲來自于諧振器或持續(xù)電路。取QL
的*大值能有效減小噪聲的影響和由于環(huán)境引起的持續(xù)電子裝置的改變。在一個(gè)實(shí)際的振蕩
器設(shè)計(jì)中，諧振器在偏移頻率影響下的短期不穩(wěn)定性比諧振器的半帶寬要小，且由于持續(xù)電
路和從閉合電路中大量能量的的傳送會(huì)引起更大的偏移。
 
持續(xù)電路引起的不穩(wěn)定性
負(fù)載電抗變化—增加一個(gè)負(fù)載電容到晶體上來改變頻率，設(shè)
例如：如果 C0=5pF，C1=14pF，CL=20pF，則△CL=10pF(=5×10-4)引起約 1×10-7 頻
率變化，而 CL 老化率是每天 10ppm使得振蕩器的老化率為每天 2 X 10-9
激勵(lì)電平變化：對(duì)于 10MHz 的3 次泛音 SC 切，一般每毫安平方 10-8。
晶體的直流偏壓也能引起振蕩器的老化。
 
調(diào)諧電路引起的不穩(wěn)定性
許多振蕩器包含調(diào)諧電路比如匹配電路和濾波器，為了防止不必要的模式。在調(diào)諧電路
里的感應(yīng)系數(shù)和電容量在小變化后的影響由下給出 
 
 
 
這里的 BW式濾波器的帶寬，ff是濾波器相對(duì)于中心頻率的偏移頻率，QL 是諧振器上
的載荷 Q，QC，LC 和 CC 分別是調(diào)諧電路的 Q值，感應(yīng)系數(shù)和電容量。
 
電路噪聲引起的不穩(wěn)定性
由持續(xù)電路中閃變 PM噪聲  引起的閃變 FM，對(duì)振蕩器的輸出頻率有著一定的影響

這里的ff是載波頻率f的偏移頻率，QL是振蕩器電路上的載荷Q，Lckt(1HZ)是f=1HZ時(shí)的
閃變 PM  噪聲，τ  時(shí)任意測(cè)量時(shí)間內(nèi)的閃變基底范圍。對(duì)于QL=106 和Lckt（1HZ）=
-140dBc/Hz，σy(τ) = 8.3 x 10-14。 ( Lckt (1Hz) = -155dBc/Hz 已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn).)
 
外載荷引起的不穩(wěn)定性
如果外載荷發(fā)生變化，反射回振蕩器的電波振幅或相位也會(huì)隨著改變。到達(dá)振蕩回路的
一部分信號(hào)改變了振蕩器的相位，因此頻率變成：
( 
這里 Γ 是載荷的電壓駐波，θ 是反射波的相位角。
 
 振蕩器的輸出
大多數(shù)用戶要求正弦波輸出，或者 TTL 兼容，或者 CMOS兼容，或者 ECL 兼容輸出。
后三種輸出都可以正弦波產(chǎn)生?，F(xiàn)在對(duì) 4 中輸出類型說明如下。虛線表示輸入電壓，實(shí)線表
示輸出。對(duì)于正弦波振蕩器來說，對(duì)于正弦波振蕩器沒有“標(biāo)準(zhǔn)的”輸入電壓。CMOS 的
輸入電壓一般為 1~10V。
 
 
振蕩器的溫度自測(cè)
 
fβ 是振蕩器正在振蕩時(shí)的振蕩器溫度，因此除了振蕩還要消除溫度計(jì)的需要。因?yàn)?SC
切型時(shí)熱瞬時(shí)補(bǔ)償，由于受到溫度和振蕩下的溫度梯度的影響，熱瞬時(shí)效應(yīng)也被消除。 
熱拍頻率的產(chǎn)生
低通濾波器
X3 
增加器
M=1
M=3
f1
f3
雙模式振蕩器
fβ = 3f1 - f3
混頻器
 
微機(jī)補(bǔ)償石英振蕩器使用高穩(wěn)定性的 10MHz Sc切型石英晶體諧振器和雙模振蕩器，這
能同時(shí)激發(fā)諧振器的和 3 次泛音模式。拍頻率可以是基頻模式乘 3 然后減去 3 次泛音頻率，
如圖所顯，或者 3 次泛音頻率除 3，這樣得到拍頻率 fβ = f1 - f3/3。如前圖所式，拍頻率是
單調(diào)的并且?guī)缀跏菧囟鹊木€性函數(shù)。它提供了一個(gè)高精度，數(shù)字顯示的振動(dòng)范圍的溫度，因
此就不需要外加的溫度計(jì)。
 
微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器
 
微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器頻率相加方法
結(jié)構(gòu)圖
 
在頻率疊加方法中，直接數(shù)字頻率合成器（DDS）基于 N2 產(chǎn)生一個(gè)校正頻率 fd，從而
在所有溫度情況下 f3 + fd = 10MHz。相位鎖定回路把電壓控制晶體振蕩器的頻率**的控
制在 10MHz。
在“頻率模式”中，1PPS的輸出是從 10MHz 除以一些數(shù)得到的。在能量守恒的“調(diào)速
方式”中，1PPS 是直接從 f3 驅(qū)動(dòng)直接數(shù)字頻率合成器，并通過使用不同的校正公式產(chǎn)生的。
鎖相環(huán)和一部分?jǐn)?shù)字電路被關(guān)閉。在校正的同時(shí)，微處理器準(zhǔn)備“休眠”，并且定時(shí)被延長(zhǎng)
來減少能量的需求。
 
微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器——脈沖消除方法
 在脈沖消除方法中，SC 切型的諧振器頻率要稍微高于輸出頻率 f0。比如，如果 f0 為
10MHz，則 SC 切型諧振器的頻率在設(shè)計(jì)的溫度范圍內(nèi)都要略高于 10MHz。雙模振蕩器提
供兩種輸出信號(hào)，其中之一 fβ 為諧振器的溫度指標(biāo)。信號(hào)均由微機(jī)進(jìn)行處理，它根據(jù) fβ 來
確定對(duì) fc 的必要修正，然后從 fc 中減去所需要的脈沖數(shù)，以得到校正輸出 f0。在適時(shí)修正
間隔(~ 1 s)內(nèi)不能減去的小部分脈沖被用作進(jìn)位脈沖，所以長(zhǎng)期平均值在±2 x 10-8設(shè)計(jì)準(zhǔn)
確度內(nèi)。PROM 中的校正數(shù)據(jù)對(duì)每個(gè)晶體來說都是**的，并且根據(jù) fc和 fβ 輸出信號(hào)的精
密溫度特性獲得的。已校正的輸出信號(hào) f0 能夠再分頻，來產(chǎn)生 1pps 的時(shí)間參考或能夠直接
用來驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘。由于在脈沖消除過程中產(chǎn)生了有害的噪聲，必須對(duì)附加信號(hào)進(jìn)行處理，以提
供用于頻率控制的有用頻射輸出。例如，可以通過鎖定 VCXO 的頻率 f0 把 MCXO 的頻率
準(zhǔn)確度傳遞給另一個(gè)低噪聲低成本壓控晶體振蕩器（VCXO）來完成這項(xiàng)工作。
 
微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器—溫度補(bǔ)償晶體振蕩器比較
參數(shù)  微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器  溫度補(bǔ)償晶體振蕩器
切型及泛音  SC 切型   3階  AT 切型    1階
允許切角誤差  大  小
金屬封裝誤差  大  小
入射傾角  次要  重要
滯后現(xiàn)象(-550
C  到 +850
C)  10-9
  到 10-8
10-7
到 10-6
年老化率  10-8
  到 10-7
10-7
到 10-6
 
光電子振蕩器