温度补偿晶体振荡器（TCXO）是一种把直流电能转换为交流电能的器件，图1为简易TCXO的原理图。基于其工作温区宽、频率稳定度高、功耗低、体积小、可靠性高、达到规定的频率稳定度所需时间短等优点，TCXO被大量用于通信产品中，如通信电台、微波通信设备、程控电话交换机、无线电综合测试仪、移动电话发射台等。

图1 简易温度补偿晶体振荡器原理图
TCXO质量优劣及技术水平的高低对整个产品的性能及质量起到了至关重要的作用。目前，程控交换机和无线电台等应用对晶振要求比较高，一般要求工作温度区间宽（-10～60℃）、频率稳定度较高（低于4×10-6）、相位噪声低（低于-120dB，个别场合要求更高）。市场上常见的中高档温补晶体振荡器由于大部分采用数补形式（采用集成电路补偿），相位噪声难以达到用户的要求，为此笔者设计并发了10MHz简易温度补偿晶体振荡器。本文详细介绍了该器件的设计与调试方法。这种温度补偿晶体振荡器具有频率稳定度较高、功耗低、相噪低等优点，目前已批量应用。
温度补偿晶体振荡器原理
石英晶体振荡器按工作原理可以分为两大类：负阻型和反馈型。目前我们用得比较多的是反馈型振荡器。产生和维持振荡的条件有两个：幅度条件是反馈信号的幅度应等于维持振荡器所需的输入信号的幅度；相位条件是反馈信号与输入信号同相振荡。
温补晶振根据补偿方式分可为两大类，一种是间接补偿晶体振荡器，即在压控晶体振荡器（VCXO）的前端加一温度补偿电阻网络，用补偿网络的输出电压来控制VCXO的控制端电压；另一种是直接补偿晶体振荡器（简称直补晶振），即直接在晶体振荡电路的振荡槽路加入具有温度敏感性的补偿阻容网络，达到补偿的目的。后者在电路中省去了VCXO，也无须对振荡电路进行稳压，因此在电路、功耗、体积以及批量生产等各个方面都具有一定的优势。本文将探讨直接补偿式温补晶体振荡器的设计及调试方法。
振荡电路设计
振荡电路采用的是典型的考毕兹电路，为了便于分析问题，将振荡电路简化为图2所示的等效电路。

图2 振荡电路等效图
图2中，C1、C2为振荡电容。通过改变晶体的负载电容，使之与晶振频率变化趋势相反，电路输出端可以得到所需的频率。为了振荡电路的一致性，保证批量生产，我们可以首先进行小批量（20～50只）试生产，再根据比较成熟参数进行生产，使振荡状态更加稳定、可靠，同时减少调试难度。
由振荡方程的振幅平衡条件和相伴平衡条件可得到式（1）和式（2）。
（1）

（2）

式（2）中：（3）

参数β为晶体管共射电流放大倍数；f为晶体管工作频率；fβ为晶体管共射截止频率；Ri为晶体管放大器输入电阻；Re为晶体等效电抗；C0为晶体静态电容；CL为振荡回路中负载电容；Rq为晶体静态电阻。
根据f、fβ、Ri和β值，可由（1）式算出C1和C2的值，只要β值满足要求，C1和C2的值应大一些，这样既可以减少晶体管输入输出阻抗对回路的影响，有利于提高稳定度，又可使变容二极管承担更多的调频量，有利于温补校频。
电容C3的主要作用是在电路调试时用它修正晶体频率制造公差带来的振荡频率误差。
网络等效模型分析与晶体选择

晶体的切角是影响其频温特性得主要原因。对于30MHz以下的温补晶体振荡器，推荐选用AT切的基频晶体，其频温曲线如图3所示。从图3中可以看出，AT切晶体在很宽的温度范围内具有良好的温度特性。



图3 AT切晶体谐振器频温曲线图
TCXO温度补偿的原理就是通过改变振荡回路中负载电容CL，使其随温度变化来补偿由于环境温度变化产生的频率漂移。



图4 直补晶振的等效电路
图4为直补电路的等效图。等效电阻Reff的值在工作温度范围内变化很小；等效电容Ceff随温度上升而上升。如果把这种简单的网络串入振荡槽路中，振荡电路的振荡频率随温度上升而下降。由以上分析可知，这种直接补偿式网络只可以补偿频温曲线呈单调上升的晶体谐振器（在我们要求的工作温度区间内）。这是选择晶体谐振器时，这是首先要注意的。图5为频温曲线呈单调上升的晶体谐振器曲线。



图5 呈单调上升的频温曲线
此外，晶体灵敏度的选择不能太高或太低。如果灵敏度太高，晶体的成品率会降低；如果灵敏度太低，则频率的调整范围会大大降低，影响晶振的质量。
温补晶振用晶体的要求比普通晶体的要求要高，除了等效电阻要小以外（30Ω），还要如下的附加要求：
（1）频率温度特性曲线平滑度（曲线的拟合误差）应该小于补偿精度；
（2）频率温度特性曲线一致性，高温拐点集中在45℃以下；
（3）老化小，应低于±2×10-6/年；
（4）为了加大调频的灵敏度，晶体的电极和静电容也略大些；
（5）晶体的切角公差要小，以确保曲线的一致性。
补偿网络分析
根据简单的补偿网络的设计思路，我们可以设计一个双热敏电阻组成的补偿网络，如图6所示。其中RT1在低温段起作用，RT2在高温段起作用。在低温段时，RT2的取值相对比并联电路中电阻R2大得多，RT2的变化基本不影响网络的等效电容而变化，而在串联电路中电阻RT1比R1大得多，因此RT2的变化将明显地影响网络的等效电容的变化，整个网络的等效电容随温度的上升而迅速增大，振荡频率也随温度上升而迅速下降，补偿图5中曲线的AB段；在图5中的高温段CD，串联电路支路中RT1的值相对比电阻R1小得多，RT1的变化基本不影响网络的等效电容而变化，而在并联电路中电阻RT2比R2小得多，RT2的变化将明显地影响网络的等效电容的变化，整个网络的等效电容随温度的上升而迅速增大，振荡频率也随温度上升而迅速下降，此时，补偿网络对高温段起作用；在中间温度段BC，RT1和RT2的作用相对地都比较弱，故补偿网络呈平缓趋势。



图6 补偿网络模型
确定热敏电阻
热敏电阻为补偿网络的重要组成部分，所以我们有必要了解式（4），热敏电阻在宽温范围内的常规表达式。
（4）

式（4）中，B为材料常数，R0为T0时的阻值。
可以依据式（4）粗略的确定热敏电阻在温区内的值。更加精确确定热敏电阻系数的方法则是，根据实际晶振工作温度区间，确定若干合适的测试点，通过计算机采用最小二乘法算法求解出热敏电阻表达式的各参数值。
热敏电阻的厂家标称值低阻为2500～3500Ω，高阻为4000～5000Ω，这里采用低阻和高阻及小电容等组成热敏网络，此网络存在调频灵敏度，这一灵敏度必须大于晶体本身的频率牵引灵敏度，这是我们选择热敏电阻的一个重要原则。
振荡回路的校频
校频是晶振生产过程中要考虑的一个问题，也是晶振测试合格后，需要进行的重要环节。为了使频率调整更为方便，我们采用图7所示的网络代替上图2中的Cd。根据公式推导，Cd2应为Cd1的2～3倍比较合适。

图7 校频模型
在晶振设计中需要注意的一些问题
使用性能优良的石英谐振器，需要用的石英谐振器是要根据其频温特性仔细筛选的。
使用考毕兹振荡电路，因其电路简单，适合产品小型化设计。
选用特征频率高的晶体管。
使用小损耗角的电容，并根据电容的温度系数加以筛选。
注意元器件的一致性，选用一致性比较好的厂家生产的元器件，这是批量生产的关键性问题。
实验结果及分析

图8 相位噪声测试图
根据试验结果，产品指标如下：频率稳定度优于 ±2.5×10-6；温度范围：-20～70℃；方波输出时耗电低于15mA，削波正弦输出耗电更低（而普通温补晶振耗电在20mA左右）；经过小批量确定参数后，首次测试成品率在90％以上（国内温补晶振一般成品率均在80%以下）；相位噪声小，在1kHz的频偏处的相位噪声是 -145dBc左右（如图8所示）。市场上常见同指标的数补晶振相位噪声很少有低于-130dBc，可见相位噪声具有明显的改善。