壓控晶振（VCXO）是通過紅外加控制電壓使振蕩效率可變或是可以調(diào)制的石英晶體振蕩器，其振蕩頻率由晶體決定，可用控制電壓在小范圍內(nèi)進(jìn)行頻率調(diào)整。VCXO大多用于鎖相技術(shù)、頻率負(fù)反饋調(diào)制的目的。控制電壓范圍一般為0V至2V或0V至3V。VCXO的調(diào)諧范圍為±100ppm至±200ppm。
壓控晶振構(gòu)成及原理
壓控晶振主要由石英諧振器、變?nèi)?a target="_blank">二極管和振蕩電路組成，其工作原理是通過控制電壓來改變變?nèi)荻O管的電容，從而“牽引”石英諧振器的頻率，以達(dá)到頻率調(diào)制的目的。VCXO大多用于鎖相技術(shù)、頻率負(fù)反饋調(diào)制的目的。
壓控晶振特點(diǎn)
石英晶體振蕩器是由品質(zhì)因素極高的石英晶體振子（即諧振器和振蕩電路組成。晶體的品質(zhì)、切割取向、晶體振子的結(jié)構(gòu)及電路形式等，共同決定振蕩器的性能。壓控晶體振蕩器具有以下特點(diǎn)：
（1）低抖動(dòng)或低相位噪聲：由于電路結(jié)構(gòu)、電源噪聲以及地噪聲等因素的影響，VCO的輸出信號(hào)并不是一個(gè)理想的方波或正弦波，其輸出信號(hào)存在一定的抖動(dòng)，轉(zhuǎn)換成頻域后可以看出信號(hào)中心頻率附近也會(huì)有較大的能量分布，即是所謂的相位噪聲。VCO輸出信號(hào)的抖動(dòng)直接影響其他電路的設(shè)計(jì)，通常希望VCXO的抖動(dòng)越小越好。
（2）寬調(diào)頻范圍：VCO的調(diào)節(jié)范圍直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)范圍，通常隨著工藝偏差、溫度以及電源電壓的變化，VCXO的鎖定范圍也會(huì)隨著變化，因此要求VCXO有足夠?qū)挼恼{(diào)節(jié)范圍來保證VCXO的輸出頻率能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。
（3）穩(wěn)定的增益：VCO的電壓——頻率非線性是產(chǎn)生噪聲的主要原因之一，同時(shí)，這種非線性也會(huì)給電路設(shè)計(jì)帶來不確定性，變化的VCXO增益會(huì)影響環(huán)路參數(shù)，從而影響環(huán)路的穩(wěn)定性。因此希望VCXO的增益變化越小越好。
壓控晶振的參數(shù)及選型
1.頻率大小：頻率越高一般價(jià)格越高。但頻率越高，頻差越大，從綜合角度考慮，一般工程師會(huì)選用頻率低但穩(wěn)定的晶振，自己做倍頻電路?？傊l率的選擇是根據(jù)需要選擇，并不是頻率越大就越好。要看具體需求。比如基站中一般用10MHz的恒溫晶振（OCXO），因其有很好的頻率穩(wěn)定性，屬于高端晶振。至于范圍，晶振的頻率做的太高的話，就會(huì)失去意義，因?yàn)橛衅渌玫念l率產(chǎn)品代替。
2.頻率穩(wěn)定度：關(guān)鍵參數(shù)。指在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)，與標(biāo)稱頻率允許的偏差，用ppm（百萬分之一）表示。一般來說，穩(wěn)定度越高或溫度范圍越寬，價(jià)格越高。對(duì)于頻率穩(wěn)定度要求±20ppm或以上的應(yīng)用，可使用普通無補(bǔ)償?shù)木w振蕩器。對(duì)于介于±1至±20ppm的穩(wěn)定度，應(yīng)該考慮溫補(bǔ)晶振TCXO。對(duì)于低于±1ppm的穩(wěn)定度，應(yīng)該考慮恒溫晶振OCXO。
3.電源電壓：常用的有1.8V、2.5V、3.3V、5V等，其中3.3V應(yīng)用最廣。
4.輸出：根據(jù)需要采用不同輸出。（HCMOS，SINE，TTL，PECL，LVPECL，LVDS，HSCL，PLL等）每種輸出類型都有它的獨(dú)特波形特性和用途。應(yīng)該關(guān)注三態(tài)或互補(bǔ)輸出的要求。對(duì)稱性、上升和下降時(shí)間以及邏輯電平對(duì)某些應(yīng)用來說也要作出規(guī)定，根據(jù)客戶需要我們可以幫助客戶選型。
5.工作溫度范圍：工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的-40～+85℃這個(gè)范圍往往只是出于設(shè)計(jì)者們的習(xí)慣，倘若-20℃～+70℃已經(jīng)夠用，那么就不必去追求更寬的溫度范圍。對(duì)于某些特殊場(chǎng)合如航天軍用等，對(duì)溫度有更苛刻的要求。
6.相位噪聲和抖動(dòng)：相位噪聲和抖動(dòng)是對(duì)同一種現(xiàn)象的兩種不同的定量方式，是對(duì)短期穩(wěn)定度的真實(shí)度量。振蕩器以及其它利用基波或諧波方式的晶體振蕩器具有最好的相位噪聲性能。采用鎖相環(huán)合成器產(chǎn)生輸出頻率的振蕩器比采用非鎖相環(huán)技術(shù)的振蕩器一般呈現(xiàn)較差的相位噪聲性能。但相對(duì)的，擁有好的相位噪聲和抖動(dòng)的同時(shí)振蕩器的設(shè)計(jì)復(fù)雜，體積大，頻率低，造價(jià)高。實(shí)際上相位噪聲和抖動(dòng)是短期頻率穩(wěn)定度的度量，所以一般越高端的晶振，即頻穩(wěn)越好的晶振，這些指標(biāo)也相應(yīng)越好。
7.牽引范圍（VCXO）：是針對(duì)VCXO的參數(shù)。帶有壓控功能的晶振為（VCXO），即通過調(diào)節(jié)控制電壓改變輸出頻率。牽引范圍為變化頻率（增大或減少）與中心頻率的比值。此值一般用ppm表示。通常牽引范圍大約為100-200ppm，取決于VCXO的結(jié)構(gòu)和所選擇的晶體。
8.封裝：與其它電子元件相似，石英振蕩器亦采用愈來愈小型的封裝。通常，較小型的器件比較大型的表面貼裝或穿孔封裝器件更昂貴。所以，小型封裝往往要在性能、輸出選擇和頻率選擇之間作出折衷。
9.老化率：隨著時(shí)間的推移，頻率值隨著變化的大小，有年老化和日老化兩種指標(biāo)。SJK的高精度恒溫晶振（OCXO）可以達(dá)到10-8ppm/年。
壓控晶體振蕩器分類
常見的壓控振蕩器主要有反相器型VCO、差分對(duì)型VCO以及LC型VCO。
反相器型VCO的核心是由奇數(shù)個(gè)反相器組成，振蕩頻率由每個(gè)反相器的延時(shí)以及反相器的個(gè)數(shù)決定的。每個(gè)單元的延時(shí)時(shí)間與流過反相器的電流、電壓、工藝有關(guān)。這種結(jié)構(gòu)的VCO優(yōu)點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，振蕩頻率可以被設(shè)計(jì)得很高，但是它對(duì)電源或地的噪聲比較敏感，相位抖動(dòng)較大。
差分對(duì)型VCO主要由差分對(duì)延時(shí)構(gòu)成，其環(huán)路構(gòu)成如圖1所示。差分延時(shí)單元由壓控電流源、電阻負(fù)載以及NMOS管構(gòu)成。通過控制壓控電流源的電流控制振蕩頻率。差分對(duì)型VCO的優(yōu)點(diǎn)是差分信號(hào)可以抑制地噪聲或電源噪聲，相位抖動(dòng)較小，缺點(diǎn)是帶寬有限，不適于高頻應(yīng)用。
LC型VCO的特點(diǎn)是：由于LC諧振腔的Q值很高，因而這種類型的VCO的相位噪聲很低，因而常用于對(duì)頻率抖動(dòng)要求非常低的頻率合成器中。并且這種結(jié)構(gòu)的工作頻率只與電感L和電容C有關(guān)，通過減小電感或電容并減小電路的寄生電容可以使得電路工作在很高的工作頻率下。
LC壓控振蕩器圖冊(cè)圖2是常見的負(fù)跨導(dǎo)LC型VCO結(jié)構(gòu)，從MOS管漏端反饋回來的信號(hào)通過另一個(gè)MOS管反饋到該MOS管的源端，假設(shè)MOS管的跨導(dǎo)為gm，則從圖3（a）虛線端向上看的阻抗是-2/gm，這是一個(gè)負(fù)阻，它是由兩個(gè)交叉MOS管正反饋所產(chǎn)生的。通常，如果要使得振蕩器振蕩，這個(gè)負(fù)阻應(yīng)小于或等于LC諧振腔的等效并聯(lián)內(nèi)阻，也就是說MOS管的跨導(dǎo)越大，負(fù)阻越小，電路越容易振蕩。在振蕩情況下，電路的振蕩頻率與L和C有關(guān)，即為，電容C是壓控電容，通過調(diào)節(jié)電壓Vcont可以調(diào)節(jié)電容的大小，從而改變電路的振蕩頻率。圖3（b），（c）的結(jié)構(gòu)與圖3（a）相似，圖3（a）結(jié)構(gòu)對(duì)電源噪聲的抑制能力較強(qiáng)，圖3（b）結(jié)構(gòu)對(duì)地噪聲的抑制能力較強(qiáng)，圖3（c）兼有前兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，而且只需一個(gè)電感就能實(shí)現(xiàn)，這樣可以減小前兩種結(jié)構(gòu)電感不對(duì)稱造成的電路共模抑制能力降低的問題。相對(duì)于前面兩個(gè)電路，這個(gè)電路也有缺點(diǎn)，即該電路有2個(gè)電流源，因而電源噪聲較大。
圖3是一種差分結(jié)構(gòu)的LC型VCO，假定NMOS與PMOS具有相等的跨導(dǎo)gm，則這種結(jié)構(gòu)的負(fù)阻為～1/gm，比圖3結(jié)構(gòu)的負(fù)阻減小1/2，由于，如果要使得圖4和圖3兩種結(jié)構(gòu)具有相同的負(fù)阻，那么圖4結(jié)構(gòu)所需的電流只有圖3的1/4，因而圖4結(jié)構(gòu)更適于低功耗設(shè)計(jì)。
壓控晶振應(yīng)用電路
某彩色電視接收機(jī)VHF調(diào)諧器中第6-12頻段的本振電路如圖所示電路中，控制電壓VC為0.5-30V，改變這個(gè)電壓，就使變?nèi)莨艿慕Y(jié)電容發(fā)生變化，從而獲得頻率的變化。由圖4可見，這是一典型的西勒振蕩電路，振蕩管呈共集電極組態(tài)，振蕩頻率約為170-220MHz，這種通過改變直流電壓來實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)的方法，通常稱為電調(diào)諧，與機(jī)械調(diào)諧相比它有很大的優(yōu)越性。
