晶体谐振器的频率温度关系 晶体振荡器的频率温度特性

石英晶体谐振器（Quartz Crystal）是一种频率精度可达ppm级的高精密频率元件，频率绝对精度一般在50ppm左右。但是，这种频率精度会随外部环境（例如，温度）的改变而产生较大的偏离。如果采取适当的补偿电路，把石英晶片与振荡线路和集成电路（IC）封装在一个相对稳定的小环境内，成为各种类型的晶体振荡器（XO），就可输出稳定的频率信号。

晶体谐振器的频率温度关系

电子线路中，石英晶体常用作参考频率基准或频率控制元件，频率与工作环境温度的特性是一个很重要的参数。

不同切割角度的石英晶片的频率温度特性曲线

为了得到较好的温度特性，晶体厂家会选择最佳的石英晶片制作工艺，因为不同切割角度产生的晶体谐振器产品的温度特性各不相同。其中，AT角度切割的石英晶片适用数百MHz以内频率范围，是石英晶片应用范围最广、使用量最多的一种切割作业方式。

在线路设计及晶振选型时，良好的频率与温度（frequency versus temperature）特性是工程师主要的选择考虑之一。根据使用环境的不同，我们可基于温度参数把石英晶体振荡器分为不同等级，例如民、企、工、航天等级别，温度范围在-40℃~+150℃。

如果温度升高至极端值，额定频率的变化就开始增大，有可能达到几十ppm。对于一般民用，以及企业、网络、计算等应用，这一点是能够承受的。但是，对于导航、雷达、无线电通信、卫星通信等航天和航空应用，极高的准确度与精度要求是丝毫不能妥协的。

为了应对这种巨大的变化，就必须在系统中增加额外的补偿元件，例如OCXO（Oven Controlled Crystal Oscillator，恒温槽控制石英晶体振荡器）、TCXO（Temperature Compensated Crystal Oscillator，温度补偿石英晶体振荡器）、VCXO（Voltage Controlled Crystal Oscillator，电压控制石英晶体振荡器）、PCXO（Programmable Crystal Oscillator，可编程石英晶体振荡器）等振荡器品种。

晶体振荡器的频率温度特性

把石英晶片与振荡线路或集成电路（IC）整合在一个封装内，再通过外部电源供电，就形成一个基于石英晶片的主动组件，可输出更加稳定的频率信号，这就是所谓的石英晶体振荡器。

根据封装组件内部的振荡线路及输出线路的不同，石英晶体振荡器可输出不同特性的参考频率（reference frequency），以满足不同应用的特殊需求。例如，普通石英振荡器SPXO（Simple Package Crystal Oscillator）或称为CXO（Clock Crystal Oscillator），可编程石英晶体振荡器PCXO（Programmable Crystal Oscillator），电压控制石英晶体振荡器VCXO（Voltage Controlled Crystal Oscillator），温度补偿石英晶体振荡器TCXO（Temperature Compensated Crystal Oscillator）及恒温槽控制石英晶体振荡器OCXO（Oven Controlled Crystal Oscillator）。

 

四种常见石英晶体振荡器的频率温度特性对比

 

其中，SPXO的工作完全由晶体自由振荡完成，主要应用于稳定度要求不高的场合。

PCXO专门针对网络、储存、视频和其他嵌入式产品应用等高频率及低抖动的产品应用，内含极低抖动的PLL，因此可依需求产生任何频率。

TCXO通过感应环境温度，将温度信息做适当变换后控制晶振的输出频率，达到稳定输出频率的效果。根据补偿电路不同，还分为传统的TCXO，采用数字化补偿的DTCXO，用单片机进行补偿的MCXO。

OCXO采用了恒温槽技术，将晶体置于恒温槽内，通过设置恒温工作点，使槽体保持恒温状态，在一定范围内不受外界温度影响，可达到稳定输出频率的效果。OCXO主要缺点是功耗大、体积大，需要5分钟左右的加热时间才能正常工作。

VCXO是为晶振增加了一项功能，带压控输入引脚的晶振就叫VCXO。所有晶振都可以根据需要增加压控功能，例如压控温补振荡器（VCTCXO）等。

可见，OCXO的频率温度特性在所有晶振振荡器类型中是最好的。随着技术的发展，除了采用更先进的晶片制作工艺外，还可以利用振荡回路中关键电子元件的温度特性，来补偿晶体谐振器自身的温漂，让晶振输出最佳的频率信号。

　　审核编辑：汤梓红