微小型SMD壓控晶振（VCXO）的研制與分析

浙江嘉康電子股份有限公司 鄒康俊 杜 文 倪鵬飛

基于壓控晶振理論研究，采用厚膜和二次混合集成技術，對VCXO的關鍵元件石英晶體諧振片設計以及變容二極管的選擇及電路進行了分析，成功實現了體積為5.0×3.2×1.2（mm）的SMD微小型壓控晶振，其頻率穩定度、壓控頻率范圍等方面都得到了明顯的提升，尤其在封裝形式上體積顯著減小。并著重介紹了采用厚膜印刷的表面安裝技術和壓控晶振中頻率的異常跳變分析與消除。

隨著電子產品日益發展，電子產品的小型化甚至微型化需求突出，所以傳統元器件的生存空間也越來越小，高度的集成化成為必然的趨勢。而微小型壓控晶振的突出特點是體積小，這對電路性能的改進，首先是元器件的選用提出來了更高的要求，尤其是石英諧振器和IC的選擇與加工；而且要在保證壓控晶振性能的基礎上，盡可能少用元件。 壓控晶振就是用外加電壓對晶振的頻率進行控制，壓控晶振廣泛用于晶振頻率的電校準、鎖相晶振、模擬和數字溫補晶振、頻率調制和頻率捷變技術中。本文基于壓控晶振理論，采用厚膜和二次混合集成技術，并通過多次對比實驗與研究，攻克了VCXO的關鍵元件石英晶體諧振片及其他元件的選擇、加工等難題，研制出了一款具有體積小、精度高等性能指標優越的微小型SMD壓控晶振。

1 微型VCXO的電路原理及其結構

VCXO主要由石英晶體諧振器、變容二極管和振蕩電路組成，其工作原理就是通過控制電壓來改變變容二極管的電容，從而對石英晶體諧振器的頻率進行調頻，以達到線路使用頻率調制的目的。VCXO作為頻率可調的穩定頻率源，其技術指標主要取決于壓控網絡的設計。為配合整機的小型化，本文研制、分析一款國際通用SMD5032基座晶體結構的壓控晶振VCXO，如圖1所示。

要在這樣狹小空間里裝配多種元器件而制造出VCXO，電路的合理設計和元件的使用裝配需要大量的匹配試驗，而我們采用厚膜印刷及二次混合集成技術很好的解決了這一問題。圖1是VCXO外形結構，該產品的基本電路原理如圖2所示。

圖1 SMD5032 VCXO外形結構

圖2 VCXO電路原理

此電路可以從10MHz到50.000MHz范圍調整而穩定地工作；低頻VCX0（1～10MHz）采用分頻IC而獲得所需各種了，只需調整C1和C2就能實現要求的輸出頻率，由于我們采用動態有源微調，晶體支路中串上的微調電容C就可以省掉了。電路中電阻是為電路提供偏置，對它們進行調整可獲得需要的波形和幅度輸出。R2、R3給電路提供一穩定的靜態工作點，R4、R5對調整輸出穩定的頻率也能作出貢獻，所以不能隨意省掉。除振蕩電路外，還加入了變容二極管控制電路和IC放大電路，以便實現壓控頻率變化和穩定輸出功能。

2 壓控晶振設計及分析

2.1 石英晶振的設計與分析

石英晶振是壓控晶振的核心元件，要實現性能優越的壓控晶振，必然少不了性能優越的石英晶振；而石英晶振的性能除了與水晶材料的純度和結晶完美性（無氣泡、無蘭針、無位錯、無裂隙、高Q值）有關之外，還與石英片的切角有關。常見的幾種石英諧振器晶片的切角如圖3所示。

眾所周知，高頻晶體大多采用AT切型，AT型石英諧振器的頻率與溫度的關系呈三次函數關系，因而它具有零溫度系數點。因此，用AT切諧振器制成的振蕩器具有較好的頻率溫度特性。

但AT切諧振器存在著兩大缺點：

（1）存在較大的熱過沖現象。熱過沖使振蕩器的頻率從加電起，要經過一段時間的來回起伏才逐漸穩定下來。

（2）存在幅頻效應較大。振幅過大時，頻率會隨振幅的增大而劇增。

AT切型以T0為參考，其頻率—溫度方程式為：

公式⑴中：T為任意溫度，ɑ0、b0、c0分別為一級、二級、三級頻率溫度系數。實驗得出頻率—溫度特性曲線圖如圖4所示。

圖3 切型石英片的方位圖

圖4 AT切型的頻率—溫度特性曲線

圖4所示是呈三次函數關系的曲線，最典型的是曲線A，由曲線A可以看出，當AT切型晶體使用在寬溫范圍，如-55～+125℃范圍，有很好頻率漂移。曲線B在-55～+125℃范圍頻率變化雖然很大，但在-10～+70℃這一溫度范圍內頻率漂移卻很小。要獲得曲線B，對應16MHz晶體片切角為AT35o13，對應24MHz的晶體切角為AT35o15，選擇這種切角對制作Φ2.5mm的諧振片適合，但對其它直徑的圓片就不能用這個切割角度了。

由于VCXO體積所限，依據頻段不同，我們采用Φ2.5mm（頻段1.000—26.999MHz）和Φ2.0mm（頻段27.000—50.000MHz）兩種規格的晶體片。根據VCXO的特點，電極面積盡可能大，以便使VCXO壓控范圍增大。電極厚度用返回頻率公式：Δ?=kF2來計算，其中F為基頻，K為常數也稱返回系數，其取值范圍由頻率來定，即頻率從1.000M～50.000MHz，取K值從現在0.8～0.3即可。晶體片的加工，只須按設計要求進行研磨、腐蝕、清洗、鍍膜，均按常規工藝進行即可。

2.2 變容二極管的選擇與分析

變容二極管作為壓控振蕩器中調頻元件，變容二極管其性能和使用方法對壓控性能的影響很大。變容管pn結的結電容Cj與加于變容二極管上的反向電壓VR之間的關系為：

公式(2)中，Κ為常數，Φ為接觸電勢差，n為變容指數。

選擇變容管參數時注意的幾點：

（1）適合的變容管的中心值。壓控晶振中諧振器的負載電容約為12～51pF，而控制電壓的中值大致在-2～-5V的范圍內。變容管的中值電容應滿足這一要求，否則，振蕩器將校不到標稱頻率，或者是變容管不能工作在合適區域。

（2）足夠大的變容管Cj～VR特性的平均斜率，以滿足壓控總頻偏的要求。

（3）滿足變容管Cj～VR特性曲線的線性要求。在鎖相晶振中以及在校準晶振頻率準確度的電子校頻電路中，變容管的非線性系數達30%，而在頻率調制用的晶振中非線性系數應不超過3%。變容管本身的非線性系數很難小到3%，所以就要求壓控電路設計中對變容管的非線性系數進行校正。簡單而有效的辦法就是將兩個變容管串聯使用如圖5，正反向偏置的兩個變容管的結電容相串聯時，當VR=0時，串聯電容為1/2Cj0。隨著負偏的增加CjR越來越小，因而CjF對串聯電容的影響越來越小，可以得到圖6中虛線所示，這條曲線的斜率隨著VR變化的非線性度得以減小。

圖5 兩個變容管的串聯圖

圖6 串聯變容管的Cj～VR特性

2.3 壓控晶振IC的選擇分析

實現VCXO小型化，采用了NPC公司生產的專用鐘振IC（SM5000系列），這種電路塊具有體積小和功耗低的特點，其基本性能在VCXO中的應用情況如下：

電源電壓：3.0V～5.5V；電流：＜10mA；功耗：250mW；工作頻率：?0或?0/2、?0/4、?0/8（?0為基頻）；輸出波形：上升/下降時間滿足鐘振標準；占空比：40～60%；負載能力：1～10個TTL門或15PF CMOS/TTL兼容。

3 厚膜印刷及二次混合集成技術的應用

厚膜混合集成技術的主要特點是產品性能穩定，溫度特性優越；適用于批量自動化生產，具有工藝簡單、成本低、見效快等優點，便于工藝實現。主要工藝流程如圖7所示：

圖7 厚膜集成工藝流程圖

3.1 工藝特點分析

（1）電路布線細線條化，利用陶瓷基板的熱導率比PCB高二個數量級經及熱穩定性好的特點，有效減少了電路布線面積。

（2）由于采用激光動態調阻技術，使得電阻精度大大提高，其精度可達到0.5%。

（3）采用表面安裝元器件及細間距器件（Fine pitch Device）。

（4）二次混合集成電路中振蕩專用IC、變容管、片式電容都采用SMT技術完成二次集成。

（5）封裝采用貯能焊可經受-40～+180℃溫度沖出，能滿足氣密性封裝要求，實現了高密度組裝。

3.2 關鍵工藝技術分析

（1）厚膜導體和電阻及高溫介質均為高溫燒成，應嚴格檢查導體是否完整，不能有短路和開路發生，激光調阻應調至所規定的阻值上。

（2）元器件表面安裝時應嚴格紅外再流焊溫度曲線控制，防止溫度過高損壞元器件。

（3）必須采用彈簧作為晶體諧振片支架，保證優良的起振性能；頻率微調時控制端需加上相應的電壓，其值為控制電壓范圍的中心值。

4 壓控晶振中頻率的異常跳變分析與消除

在實際調試晶振中，實際會有振蕩頻率隨壓控電壓的變化而突變的情況，我們用實驗電路很好的研究了產生這一現象的原因，電路中采用了一只羅蘭環作為電流監測器，用它可以測出出現異常頻率突變時流過晶體電流的頻譜如圖8所示。實驗時以R為移動參數，以晶體負載電容CL為自變量，測出基音振蕩頻率?0與CL的關系如圖9所示。實驗結果表明，所有的頻率異常跳變都發生在?1L=?3L/3附近，電流監測器測得在頻率跳變附近的三次諧波電流分量比沒有頻率跳變處的大20dB以上。當R=200Ω時，不產生頻率異常跳變，此時的三次諧波電流分量較基波分量低20dB以上。

圖8 頻率突變與負載電容的關系

圖9 異常跳頻實驗電路

以上實驗可得到下列結論，當變容管、晶體管和一對二極管所產生的三次諧波電流的頻率3?0遠離?3L時，頻率3?0上回路增益很小，因而振蕩頻率幾乎不受3?0三次諧波電流的影響。但3?0當接近?3L時，串聯的晶體和負載電容就進入諧振狀態，3?0頻率的回路增益就增大，而在回路中環流的三次泛音電流與被非線性元件把基波電流變換來的三次諧波電流就相互干擾，結果會使晶體的基波模和三次泛音模耦合。當這種耦合最緊密時，由CL變化引起的?0的變化就成為?3L/3的變化。

消除頻率異常跳變的方法：

（1）適當加大反饋電阻R，即減小放大器的增益邊界，使頻率為?3L/3的振蕩不能形成，這就意味著消除頻率異常跳變后，壓控頻偏變得很窄。故增加R不適用在壓控晶振中。若壓控晶振中使用帶A.G.C的放大器作振蕩級，則A.G.C電路可以減小流過晶體的電流。當晶體電流很小時，其三次和五次等高次泛音模不會激勵起來，因而避免了高次泛音模的干擾，從而避免了基音模頻率跳變現象。

圖10 改進的晶體振蕩電路

（2）在回路中增加兩個陷波電路，使回路在3?0處的增益將至零，可消除頻率異常跳變。具體電路如圖10所示。

5 壓控晶振的結果與分析

頻率微調后，在封裝之前即可測試。首先在自制的專用夾具上測定VCXO其中心頻率和壓控頻率范圍，若不起振，則應細查是否晶片損傷并予以更換返工。最終測試采用微機檢測，其測試原理圖如圖11所示。

圖11 測試原理圖

當測試夾具上放入一個VCXO時，產生一觸發信號，輸出給計算機，計算機則根據所編程序反饋一脈沖信號給測試夾具，測試夾具接收脈沖信號后，自動依次輸出VCXO所需的控制端電壓，此時計數器和示波器上顯示VCXO的準確輸出頻率和波形，同時，計算機根據設置的程序進行計算，顯示出VCXO的各項指標，最終判定合格或不合格。

該產品與國內同類相關產品相比，頻率穩定度、壓控頻率范圍、頻率范圍等方面都得到了明顯的提升，尤其在封裝形式上體積顯著減小，實現了該產品微小型的突破，相關產品對比如表1所示。

表1 技術參數及國內產品對比表

結束語：經過對壓控晶振理論原理的深入研究，研制了一款具有高穩定性、高可靠性和寬范圍壓控頻率范圍的金屬封裝結構的SMD5032壓控晶振，其頻率穩定度達到±20PPM，絕大多數非線性優于2.5%，壓控頻率范圍可達±100～±200PPM。通過變容二極管的選擇以及電路的改進對非線性系數和頻率異常突變進行了有效改善。壓控晶振目前廣泛應用于電子技術的各個領域中具有非常重要的實際價值。