晶體振蕩器特點
z  在振蕩頻率上，閉合回路的相移為 2nπ。
z  當開始加電時，電路中**的信號是噪聲。滿足振蕩相位條件的頻率噪聲分量以增
大的幅度在回路中傳輸，增大的速率由附加分量，即小信號，回路益增和晶體網絡
的帶寬決定。
z  幅度繼續增大，直到放大器增益因有源器件（自限幅）的非線性而減小或者由于某
一自動電平控制而被減小。
z  在穩定狀態下，閉合回路的增益為 1。
 振蕩與穩定度
z  如果產生相位波動 ? Δ ，頻率必然產生偏移 f Δ ，以維持 π n 2 的相位條件。對于串
聯諧振振蕩器， L Q ff 2// ? Δ ? =Δ ， 是網絡中晶體的負載值Q值。“相位斜
率”
L Q
dfd / ? 是與靠近串聯諧振頻率的 成正比的（見第三部分“等效電路”和
“頻率與電抗的關系”）。
L Q
z  大多數振蕩器均工作在“并聯諧振”上，電抗與頻率斜率的關系 ，即“逆
電容”是與晶體器件的動態電容 C1成反比的。
dfdx /
z  相對于振蕩回路中的相位（電抗）波動的*高頻率穩定度來說，相位斜率（或電抗
斜率）必須*大，即 C1 應當*小，而 應當*大。石英晶體器件的高 值和高
的逆電容，決定振蕩器元件的基本頻率（或頻率穩定度）。
L Q Q
 
可調性和穩定度
要使振蕩器諧調在寬的頻率范圍內，就會降低其穩定度，因為要使振蕩器按要求進行調
諧，同時也會使振蕩器容易受不合要求的調諧因素影響。調諧范圍越寬，就越難以保持高的
穩定度。例如，如果設計 OCXO 的短期穩定度在某一平均時間為 1×10-12，而可調性為 1
×10-7，則晶體的負載電抗在上述平均時間必須穩定在上 1×10-5。要獲得這樣的穩定度使
困難的，因為影響負載電抗的因素有：寄生電容和電感、變容二極管的電容與電壓特性的穩
定度，以及加在變容二極管上的電壓的穩定度。此外，1×10-5 的負載電抗穩定度不僅必須
在開始條件下保持，而且在環境條件（溫度、振動、輻射等）變化時，也必須保持。
同時，高穩定度 10 MHz 的恒溫壓控晶振的頻率調整范圍為 5×10-7，老化率為 2×
10-8/y，而寬調諧范圍的 10 MHz 壓控晶振的調諧范圍為 50 ppm，老化率為 2 ppm/y。 
 
 
 

每一種 OCXO 都主要由三部分組成，即石英晶體，持續電路和恒溫，他們都會引起不
穩定。不同情況下的不穩定將會在第 3 章余下的部分和第 4 章中討論
振蕩器的不穩定性——通常表達式 
  
這里的QL是諧振器受到的載荷Q，dφ(ff)是在閉合電路發生小變化后，遠離信號頻率f的
偏移頻率ff相位。系統的相位變化和閉合電路中的相位噪聲來自于諧振器或持續電路。取QL
的*大值能有效減小噪聲的影響和由于環境引起的持續電子裝置的改變。在一個實際的振蕩
器設計中，諧振器在偏移頻率影響下的短期不穩定性比諧振器的半帶寬要小，且由于持續電
路和從閉合電路中大量能量的的傳送會引起更大的偏移。
 
持續電路引起的不穩定性
負載電抗變化—增加一個負載電容到晶體上來改變頻率，設
例如：如果 C0=5pF，C1=14pF，CL=20pF，則△CL=10pF(=5×10-4)引起約 1×10-7 頻
率變化，而 CL 老化率是每天 10ppm使得振蕩器的老化率為每天 2 X 10-9
激勵電平變化：對于 10MHz 的3 次泛音 SC 切，一般每毫安平方 10-8。
晶體的直流偏壓也能引起振蕩器的老化。
 
調諧電路引起的不穩定性
許多振蕩器包含調諧電路比如匹配電路和濾波器，為了防止不必要的模式。在調諧電路
里的感應系數和電容量在小變化后的影響由下給出 
 
 
 
這里的 BW式濾波器的帶寬，ff是濾波器相對于中心頻率的偏移頻率，QL 是諧振器上
的載荷 Q，QC，LC 和 CC 分別是調諧電路的 Q值，感應系數和電容量。
 
電路噪聲引起的不穩定性
由持續電路中閃變 PM噪聲  引起的閃變 FM，對振蕩器的輸出頻率有著一定的影響

這里的ff是載波頻率f的偏移頻率，QL是振蕩器電路上的載荷Q，Lckt(1HZ)是f=1HZ時的
閃變 PM  噪聲，τ  時任意測量時間內的閃變基底范圍。對于QL=106 和Lckt（1HZ）=
-140dBc/Hz，σy(τ) = 8.3 x 10-14。 ( Lckt (1Hz) = -155dBc/Hz 已經能夠實現.)
 
外載荷引起的不穩定性
如果外載荷發生變化，反射回振蕩器的電波振幅或相位也會隨著改變。到達振蕩回路的
一部分信號改變了振蕩器的相位，因此頻率變成：
( 
這里 Γ 是載荷的電壓駐波，θ 是反射波的相位角。
 
 振蕩器的輸出
大多數用戶要求正弦波輸出，或者 TTL 兼容，或者 CMOS兼容，或者 ECL 兼容輸出。
后三種輸出都可以正弦波產生。現在對 4 中輸出類型說明如下。虛線表示輸入電壓，實線表
示輸出。對于正弦波振蕩器來說，對于正弦波振蕩器沒有“標準的”輸入電壓。CMOS 的
輸入電壓一般為 1~10V。
 
 
振蕩器的溫度自測
 
fβ 是振蕩器正在振蕩時的振蕩器溫度，因此除了振蕩還要消除溫度計的需要。因為 SC
切型時熱瞬時補償，由于受到溫度和振蕩下的溫度梯度的影響，熱瞬時效應也被消除。 
熱拍頻率的產生
低通濾波器
X3 
增加器
M=1
M=3
f1
f3
雙模式振蕩器
fβ = 3f1 - f3
混頻器
 
微機補償石英振蕩器使用高穩定性的 10MHz Sc切型石英晶體諧振器和雙模振蕩器，這
能同時激發諧振器的和 3 次泛音模式。拍頻率可以是基頻模式乘 3 然后減去 3 次泛音頻率，
如圖所顯，或者 3 次泛音頻率除 3，這樣得到拍頻率 fβ = f1 - f3/3。如前圖所式，拍頻率是
單調的并且幾乎是溫度的線性函數。它提供了一個高精度，數字顯示的振動范圍的溫度，因
此就不需要外加的溫度計。
 
微機補償晶體振蕩器
 
微機補償晶體振蕩器頻率相加方法
結構圖
 
在頻率疊加方法中，直接數字頻率合成器（DDS）基于 N2 產生一個校正頻率 fd，從而
在所有溫度情況下 f3 + fd = 10MHz。相位鎖定回路把電壓控制晶體振蕩器的頻率**的控
制在 10MHz。
在“頻率模式”中，1PPS的輸出是從 10MHz 除以一些數得到的。在能量守恒的“調速
方式”中，1PPS 是直接從 f3 驅動直接數字頻率合成器，并通過使用不同的校正公式產生的。
鎖相環和一部分數字電路被關閉。在校正的同時，微處理器準備“休眠”，并且定時被延長
來減少能量的需求。
 
微機補償晶體振蕩器——脈沖消除方法
 在脈沖消除方法中，SC 切型的諧振器頻率要稍微高于輸出頻率 f0。比如，如果 f0 為
10MHz，則 SC 切型諧振器的頻率在設計的溫度范圍內都要略高于 10MHz。雙模振蕩器提
供兩種輸出信號，其中之一 fβ 為諧振器的溫度指標。信號均由微機進行處理，它根據 fβ 來
確定對 fc 的必要修正，然后從 fc 中減去所需要的脈沖數，以得到校正輸出 f0。在適時修正
間隔(~ 1 s)內不能減去的小部分脈沖被用作進位脈沖，所以長期平均值在±2 x 10-8設計準
確度內。PROM 中的校正數據對每個晶體來說都是**的，并且根據 fc和 fβ 輸出信號的精
密溫度特性獲得的。已校正的輸出信號 f0 能夠再分頻，來產生 1pps 的時間參考或能夠直接
用來驅動時鐘。由于在脈沖消除過程中產生了有害的噪聲，必須對附加信號進行處理，以提
供用于頻率控制的有用頻射輸出。例如，可以通過鎖定 VCXO 的頻率 f0 把 MCXO 的頻率
準確度傳遞給另一個低噪聲低成本壓控晶體振蕩器（VCXO）來完成這項工作。
 
微機補償晶體振蕩器—溫度補償晶體振蕩器比較
參數  微機補償晶體振蕩器  溫度補償晶體振蕩器
切型及泛音  SC 切型   3階  AT 切型    1階
允許切角誤差  大  小
金屬封裝誤差  大  小
入射傾角  次要  重要
滯后現象(-550
C  到 +850
C)  10-9
  到 10-8
10-7
到 10-6
年老化率  10-8
  到 10-7
10-7
到 10-6
 
光電子振蕩器