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(shù)，對(duì)VCXO的關(guān)鍵元件石英晶體諧振片設(shè)計(jì)以及變?nèi)荻O管的選擇及電路進(jìn)行了分析，成功實(shí)現(xiàn)了體積為5.0×3.2×1.2（mm）的SMD微小型壓控晶振，其頻率穩(wěn)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(shù)和壓控晶振中頻率的異常跳變分析與消除。

隨著電子產(chǎn)品日益發(fā)展，電子產(chǎn)品的小型化甚至微型化需求突出，所以傳統(tǒng)元器件的生存空間也越來(lái)越小，高度的集成化成為必然的趨勢(shì)。而微小型壓控晶振的突出特點(diǎn)是體積小，這對(duì)電路性能的改進(jìn)，首先是元器件的選用提出來(lái)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(chǔ)上，盡可能少用元件。 壓控晶振就是用外加電壓對(duì)晶振的頻率進(jìn)行控制，壓控晶振廣泛用于晶振頻率的電校準(zhǔn)、鎖相晶振、模擬和數(shù)字溫補(bǔ)晶振、頻率調(diào)制和頻率捷變技術(shù)中。本文基于壓控晶振理論，采用厚膜和二次混合集成技術(shù)，并通過(guò)多次對(duì)比實(shí)驗(yàn)與研究，攻克了VCXO的關(guān)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(biāo)優(yōu)越的微小型SMD壓控晶振。

1 微型VCXO的電路原理及其結(jié)構(gòu)

VCXO主要由石英晶體諧振器、變?nèi)荻O管和振蕩電路組成，其工作原理就是通過(guò)控制電壓來(lái)改變變?nèi)荻O管的電容，從而對(duì)石英晶體諧振器的頻率進(jìn)行調(diào)頻，以達(dá)到線路使用頻率調(diào)制的目的。VCXO作為頻率可調(diào)的穩(wěn)定頻率源，其技術(shù)指標(biāo)主要取決于壓控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。為配合整機(jī)的小型化，本文研制、分析一款國(guó)際通用SMD5032基座晶體結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)和元件的使用裝配需要大量的匹配試驗(yàn)，而我們采用厚膜印刷及二次混合集成技術(shù)很好的解決了這一問(wèn)題。圖1是VCXO外形結(jié)構(gòu)，該產(chǎn)品的基本電路原理如圖2所示。

圖1 SMD5032 VCXO外形結(jié)構(gòu)

圖2 VCXO電路原理

此電路可以從10MHz到50.000MHz范圍調(diào)整而穩(wěn)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(diào)整C1和C2就能實(shí)現(xiàn)要求的輸出頻率，由于我們采用動(dòng)態(tài)有源微調(diào)，晶體支路中串上的微調(diào)電容C就可以省掉了。電路中電阻是為電路提供偏置，對(duì)它們進(jìn)行調(diào)整可獲得需要的波形和幅度輸出。R2、R3給電路提供一穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)，R4、R5對(duì)調(diào)整輸出穩(wěn)定的頻率也能作出貢獻(xiàn)，所以不能隨意省掉。除振蕩電路外，還加入了變?nèi)荻O管控制電路和IC放大電路，以便實(shí)現(xiàn)壓控頻率變化和穩(wěn)定輸出功能。

2 壓控晶振設(shè)計(jì)及分析

2.1 石英晶振的設(shè)計(jì)與分析

石英晶振是壓控晶振的核心元件，要實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)越的壓控晶振，必然少不了性能優(yōu)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(jié)晶完美性（無(wú)氣泡、無(wú)蘭針、無(wú)位錯(cuò)、無(wú)裂隙、高Q值）有關(guān)之外，還與石英片的切角有關(guān)。常見(jiàn)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(guān)系呈三次函數(shù)關(guān)系，因而它具有零溫度系數(shù)點(diǎn)。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(diǎn)：

（1）存在較大的熱過(guò)沖現(xiàn)象。熱過(guò)沖使振蕩器的頻率從加電起，要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的來(lái)回起伏才逐漸穩(wěn)定下來(lái)。

（2）存在幅頻效應(yīng)較大。振幅過(guò)大時(shí)，頻率會(huì)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(jí)、二級(jí)、三級(jí)頻率溫度系數(shù)。實(shí)驗(yàn)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(shù)關(guān)系的曲線，最典型的是曲線A，由曲線A可以看出，當(dāng)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(nèi)頻率漂移卻很小。要獲得曲線B，對(duì)應(yīng)16MHz晶體片切角為AT35o13，對(duì)應(yīng)24MHz的晶體切角為AT35o15，選擇這種切角對(duì)制作Φ2.5mm的諧振片適合，但對(duì)其它直徑的圓片就不能用這個(gè)切割角度了。

由于VCXO體積所限，依據(jù)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(guī)格的晶體片。根據(jù)VCXO的特點(diǎn)，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(lái)計(jì)算，其中F為基頻，K為常數(shù)也稱返回系數(shù)，其取值范圍由頻率來(lái)定，即頻率從1.000M～50.000MHz，取K值從現(xiàn)在0.8～0.3即可。晶體片的加工，只須按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行研磨、腐蝕、清洗、鍍膜，均按常規(guī)工藝進(jìn)行即可。

2.2 變?nèi)荻O管的選擇與分析

變?nèi)荻O管作為壓控振蕩器中調(diào)頻元件，變?nèi)荻O管其性能和使用方法對(duì)壓控性能的影響很大。變?nèi)莨躳n結(jié)的結(jié)電容Cj與加于變?nèi)荻O管上的反向電壓VR之間的關(guān)系為：

公式(2)中，Κ為常數(shù)，Φ為接觸電勢(shì)差，n為變?nèi)葜笖?shù)。

選擇變?nèi)莨軈?shù)時(shí)注意的幾點(diǎn)：

（1）適合的變?nèi)莨艿闹行闹?。壓控晶振中諧振器的負(fù)載電容約為12～51pF，而控制電壓的中值大致在-2～-5V的范圍內(nèi)。變?nèi)莨艿闹兄惦娙輵?yīng)滿足這一要求，否則，振蕩器將校不到標(biāo)稱頻率，或者是變?nèi)莨懿荒芄ぷ髟诤线m區(qū)域。

（2）足夠大的變?nèi)莨蹸j～VR特性的平均斜率，以滿足壓控總頻偏的要求。

（3）滿足變?nèi)莨蹸j～VR特性曲線的線性要求。在鎖相晶振中以及在校準(zhǔn)晶振頻率準(zhǔn)確度的電子校頻電路中，變?nèi)莨艿姆蔷€性系數(shù)達(dá)30%，而在頻率調(diào)制用的晶振中非線性系數(shù)應(yīng)不超過(guò)3%。變?nèi)莨鼙旧淼姆蔷€性系數(shù)很難小到3%，所以就要求壓控電路設(shè)計(jì)中對(duì)變?nèi)莨艿姆蔷€性系數(shù)進(jìn)行校正。簡(jiǎn)單而有效的辦法就是將兩個(gè)變?nèi)莨艽?lián)使用如圖5，正反向偏置的兩個(gè)變?nèi)莨艿慕Y(jié)電容相串聯(lián)時(shí)，當(dāng)VR=0時(shí)，串聯(lián)電容為1/2Cj0。隨著負(fù)偏的增加CjR越來(lái)越小，因而CjF對(duì)串聯(lián)電容的影響越來(lái)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(gè)變?nèi)莨艿拇?lián)圖

圖6 串聯(lián)變?nèi)莨艿腃j～VR特性

2.3 壓控晶振IC的選擇分析

實(shí)現(xiàn)VCXO小型化，采用了NPC公司生產(chǎn)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(diǎn)，其基本性能在VCXO中的應(yīng)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(shí)間滿足鐘振標(biāo)準(zhǔn)；占空比：40～60%；負(fù)載能力：1～10個(gè)TTL門或15PF CMOS/TTL兼容。

3 厚膜印刷及二次混合集成技術(shù)的應(yīng)用

厚膜混合集成技術(shù)的主要特點(diǎn)是產(chǎn)品性能穩(wěn)定，溫度特性優(yōu)越；適用于批量自動(dòng)化生產(chǎn)，具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、見(jiàn)效快等優(yōu)點(diǎn)，便于工藝實(shí)現(xiàn)。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(diǎn)分析

（1）電路布線細(xì)線條化，利用陶瓷基板的熱導(dǎo)率比PCB高二個(gè)數(shù)量級(jí)經(jīng)及熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，有效減少了電路布線面積。

（2）由于采用激光動(dòng)態(tài)調(diào)阻技術(shù)，使得電阻精度大大提高，其精度可達(dá)到0.5%。

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

（4）二次混合集成電路中振蕩專用IC、變?nèi)莨?、片式電容都采用SMT技術(shù)完成二次集成。

（5）封裝采用貯能焊可經(jīng)受-40～+180℃溫度沖出，能滿足氣密性封裝要求，實(shí)現(xiàn)了高密度組裝。

3.2 關(guān)鍵工藝技術(shù)分析

（1）厚膜導(dǎo)體和電阻及高溫介質(zhì)均為高溫?zé)?，?yīng)嚴(yán)格檢查導(dǎo)體是否完整，不能有短路和開(kāi)路發(fā)生，激光調(diào)阻應(yīng)調(diào)至所規(guī)定的阻值上。

（2）元器件表面安裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)格紅外再流焊溫度曲線控制，防止溫度過(guò)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(yōu)良的起振性能；頻率微調(diào)時(shí)控制端需加上相應(yīng)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(shí)際調(diào)試晶振中，實(shí)際會(huì)有振蕩頻率隨壓控電壓的變化而突變的情況，我們用實(shí)驗(yàn)電路很好的研究了產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，電路中采用了一只羅蘭環(huán)作為電流監(jiān)測(cè)器，用它可以測(cè)出出現(xiàn)異常頻率突變時(shí)流過(guò)晶體電流的頻譜如圖8所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)以R為移動(dòng)參數(shù)，以晶體負(fù)載電容CL為自變量，測(cè)出基音振蕩頻率?0與CL的關(guān)系如圖9所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所有的頻率異常跳變都發(fā)生在?1L=?3L/3附近，電流監(jiān)測(cè)器測(cè)得在頻率跳變附近的三次諧波電流分量比沒(méi)有頻率跳變處的大20dB以上。當(dāng)R=200Ω時(shí)，不產(chǎn)生頻率異常跳變，此時(shí)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(fù)載電容的關(guān)系

圖9 異常跳頻實(shí)驗(yàn)電路

以上實(shí)驗(yàn)可得到下列結(jié)論，當(dāng)變?nèi)莨?、晶體管和一對(duì)二極管所產(chǎn)生的三次諧波電流的頻率3?0遠(yuǎn)離?3L時(shí)，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(dāng)接近?3L時(shí)，串聯(lián)的晶體和負(fù)載電容就進(jìn)入諧振狀態(tài)，3?0頻率的回路增益就增大，而在回路中環(huán)流的三次泛音電流與被非線性元件把基波電流變換來(lái)的三次諧波電流就相互干擾，結(jié)果會(huì)使晶體的基波模和三次泛音模耦合。當(dāng)這種耦合最緊密時(shí)，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(dāng)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(jí)，則A.G.C電路可以減小流過(guò)晶體的電流。當(dāng)晶體電流很小時(shí)，其三次和五次等高次泛音模不會(huì)激勵(lì)起來(lái)，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(xiàn)象。

圖10 改進(jìn)的晶體振蕩電路

（2）在回路中增加兩個(gè)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(jié)果與分析

頻率微調(diào)后，在封裝之前即可測(cè)試。首先在自制的專用夾具上測(cè)定VCXO其中心頻率和壓控頻率范圍，若不起振，則應(yīng)細(xì)查是否晶片損傷并予以更換返工。最終測(cè)試采用微機(jī)檢測(cè)，其測(cè)試原理圖如圖11所示。

圖11 測(cè)試原理圖

當(dāng)測(cè)試夾具上放入一個(gè)VCXO時(shí)，產(chǎn)生一觸發(fā)信號(hào)，輸出給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)則根據(jù)所編程序反饋一脈沖信號(hào)給測(cè)試夾具，測(cè)試夾具接收脈沖信號(hào)后，自動(dòng)依次輸出VCXO所需的控制端電壓，此時(shí)計(jì)數(shù)器和示波器上顯示VCXO的準(zhǔn)確輸出頻率和波形，同時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)置的程序進(jìn)行計(jì)算，顯示出VCXO的各項(xiàng)指標(biāo)，最終判定合格或不合格。

該產(chǎn)品與國(guó)內(nèi)同類相關(guān)產(chǎn)品相比，頻率穩(wěn)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(shí)現(xiàn)了該產(chǎn)品微小型的突破，相關(guān)產(chǎn)品對(duì)比如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)及國(guó)內(nèi)產(chǎn)品對(duì)比表

結(jié)束語(yǔ)：經(jīng)過(guò)對(duì)壓控晶振理論原理的深入研究，研制了一款具有高穩(wěn)定性、高可靠性和寬范圍壓控頻率范圍的金屬封裝結(jié)構(gòu)的SMD5032壓控晶振，其頻率穩(wěn)定度達(dá)到±20PPM，絕大多數(shù)非線性優(yōu)于2.5%，壓控頻率范圍可達(dá)±100～±200PPM。通過(guò)變?nèi)荻O管的選擇以及電路的改進(jìn)對(duì)非線性系數(shù)和頻率異常突變進(jìn)行了有效改善。壓控晶振目前廣泛應(yīng)用于電子技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域中具有非常重要的實(shí)際價(jià)值。