溫度補償晶體振蕩器（TCXO）是一種把直流電能轉換為交流電能的器件，圖1為簡易TCXO的原理圖�；谄涔ぷ鳒貐^(qū)寬、頻率穩(wěn)定度高、功耗低、體積小、可靠性高、達到規(guī)定的頻率穩(wěn)定度所需時間短等優(yōu)點，TCXO被大量用于通信產品中，如通信電臺、微波通信設備、程控電話交換機、無線電綜合測試儀、移動電話發(fā)射臺等。

圖1 簡易溫度補償晶體振蕩器原理圖
TCXO質量優(yōu)劣及技術水平的高低對整個產品的性能及質量起到了至關重要的作用。目前，程控交換機和無線電臺等應用對晶振要求比較高，一般要求工作溫度區(qū)間寬（-10～60℃）、頻率穩(wěn)定度較高（低于4×10-6）、相位噪聲低（低于-120dB，個別場合要求更高）。市場上常見的中高檔溫補晶體振蕩器由于大部分采用數補形式（采用集成電路補償），相位噪聲難以達到用戶的要求，為此筆者設計并發(fā)了10MHz簡易溫度補償晶體振蕩器。本文詳細介紹了該器件的設計與調試方法。這種溫度補償晶體振蕩器具有頻率穩(wěn)定度較高、功耗低、相噪低等優(yōu)點，目前已批量應用。
溫度補償晶體振蕩器原理
石英晶體振蕩器按工作原理可以分為兩大類：負阻型和反饋型。目前我們用得比較多的是反饋型振蕩器。產生和維持振蕩的條件有兩個：幅度條件是反饋信號的幅度應等于維持振蕩器所需的輸入信號的幅度；相位條件是反饋信號與輸入信號同相振蕩。
溫補晶振根據補償方式分可為兩大類，一種是間接補償晶體振蕩器，即在壓控晶體振蕩器（VCXO）的前端加一溫度補償電阻網絡，用補償網絡的輸出電壓來控制VCXO的控制端電壓；另一種是直接補償晶體振蕩器（簡稱直補晶振），即直接在晶體振蕩電路的振蕩槽路加入具有溫度敏感性的補償阻容網絡，達到補償的目的。后者在電路中省去了VCXO，也無須對振蕩電路進行穩(wěn)壓，因此在電路、功耗、體積以及批量生產等各個方面都具有一定的優(yōu)勢。本文將探討直接補償式溫補晶體振蕩器的設計及調試方法。
振蕩電路設計
振蕩電路采用的是典型的考畢茲電路，為了便于分析問題，將振蕩電路簡化為圖2所示的等效電路。

圖2 振蕩電路等效圖
圖2中，C1、C2為振蕩電容。通過改變晶體的負載電容，使之與晶振頻率變化趨勢相反，電路輸出端可以得到所需的頻率。為了振蕩電路的一致性，保證批量生產，我們可以首先進行小批量（20～50只）試生產，再根據比較成熟參數進行生產，使振蕩狀態(tài)更加穩(wěn)定、可靠，同時減少調試難度。
由振蕩方程的振幅平衡條件和相伴平衡條件可得到式（1）和式（2）。
（1）

（2）

式（2）中：（3）

參數β為晶體管共射電流放大倍數；f為晶體管工作頻率；fβ為晶體管共射截止頻率；Ri為晶體管放大器輸入電阻；Re為晶體等效電抗；C0為晶體靜態(tài)電容；CL為振蕩回路中負載電容；Rq為晶體靜態(tài)電阻。
根據f、fβ、Ri和β值，可由（1）式算出C1和C2的值，只要β值滿足要求，C1和C2的值應大一些，這樣既可以減少晶體管輸入輸出阻抗對回路的影響，有利于提高穩(wěn)定度，又可使變容二極管承擔更多的調頻量，有利于溫補校頻。
電容C3的主要作用是在電路調試時用它修正晶體頻率制造公差帶來的振蕩頻率誤差。
網絡等效模型分析與晶體選擇

晶體的切角是影響其頻溫特性得主要原因。對于30MHz以下的溫補晶體振蕩器，推薦選用AT切的基頻晶體，其頻溫曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，AT切晶體在很寬的溫度范圍內具有良好的溫度特性。



圖3 AT切晶體諧振器頻溫曲線圖
TCXO溫度補償的原理就是通過改變振蕩回路中負載電容CL，使其隨溫度變化來補償由于環(huán)境溫度變化產生的頻率漂移。



圖4 直補晶振的等效電路
圖4為直補電路的等效圖。等效電阻Reff的值在工作溫度范圍內變化很�。坏刃щ娙軨eff隨溫度上升而上升。如果把這種簡單的網絡串入振蕩槽路中，振蕩電路的振蕩頻率隨溫度上升而下降。由以上分析可知，這種直接補償式網絡只可以補償頻溫曲線呈單調上升的晶體諧振器（在我們要求的工作溫度區(qū)間內）。這是選擇晶體諧振器時，這是首先要注意的。圖5為頻溫曲線呈單調上升的晶體諧振器曲線。



圖5 呈單調上升的頻溫曲線
此外，晶體靈敏度的選擇不能太高或太低。如果靈敏度太高，晶體的成品率會降低；如果靈敏度太低，則頻率的調整范圍會大大降低，影響晶振的質量。
溫補晶振用晶體的要求比普通晶體的要求要高，除了等效電阻要小以外（30Ω），還要如下的附加要求：
（1）