振荡器的发展

石英晶体振荡器原理
1、石英晶体振荡器的结构
    石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚 上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。下图是一种金属外壳封装的石英晶体结构示意图。

            
2、压电效应
    若在石英晶体的两个电极上加电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。由于晶片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因数Q很大，可达1000～10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。

二、石英晶体振荡器类型特点
    国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分为4类：普通晶体振荡（TCXO），电压控制式晶体振荡器（VCXO），温度补偿式晶体振荡（TCXO），恒温控制式晶体振荡（OCXO）。目前发展中的还有数字补偿式晶体损振荡（DCXO）等。
    普通晶体振荡器（SPXO）可产生10^(-5)～10^(-4)量级的频率精度，标准频率1—100MHZ，频率稳定度是±100ppm。SPXO没有采用任何温度频率补偿措施，价格低廉，通常用作微处理器的时钟器件。
    电压控制式晶体振荡器（VCXO）的精度是10^(-6)～10^(-5)量级，频率范围1~30MHz。低容差振荡器的频率稳定度是±50ppm。通常用于锁相环路。封装尺寸14×10×3mm。
    温度补偿式晶体振荡器（TCXO）采用温度敏感器件进行温度频率补偿，频率精度达到10^(-7)～10^(-6)量级，频率范围1—60MHz，频率稳定度为±1～±2.5ppm，封装尺寸从30×30×15mm至11.4×9.6×3.9mm。通常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设备等。
    恒温晶体振荡器（OCXO）将晶体和振荡电路置于恒温箱中，以消除环境温度变化对频率的影响。OCXO频率精度是10^(-10)至10^(-8)量级，对某些特殊应用甚至达到更高。频率稳定度在四种类型振荡器中最高。

三、振荡器的类型及发展现状
    然而，人类对科技进步的要求总是无止境的，虽然我们已经享受到了电脑、手机、家用电器给我们带来的生活质量上的飞跃，可是我们依旧在抱怨计算机运算速度慢、上网的网速慢、手机信号不好等，这些要求都给石英振荡器出了难题，因为人类对石英振荡器的使用已经达到了极限。最重要的一点就是，石英振荡器的频率已经不能再高了。
   石英振荡器的频率高低，是由它的晶体厚度来决定的，厚度越薄，频率越高。现在的高频石英振荡器已经薄得像纸一样不能再薄了。可是它提供的频率高度依然不能满足人类不断增长的使用要求。例如，手机已经越来越普及，但是，手机的使用数量是会受到频率带宽的限制的。以目前的技术，在一个无线电频率范围内，只能容纳有限数量的手机同时工作。其实，现在的手机总容量已经超过了现有频率范围可容纳的数量。换句话说，如果大家一起进行通话，整个无线通信网络就会瘫痪下来。如果要提高手机的容量，就要大幅度提高手机和手机机站电路的基础频率，使得在同一频段中承载更多的信号。遗憾的是，石英振荡器已经无力承担这个任务了。
   科学技术的发展，因为基础振荡器的极限而使得脚步慢了下来，许许多多的科学家都在致力于解决这一难题。虽然人们相继发明了原子钟、量子钟和其他晶体材料的振荡器，也有人通过电子电路对石英振荡器进行倍频，但都因为价格昂贵或噪声太高等原因，使之不能应用。终于，在上世纪九十年代，工作于美国宇航局喷气动力实验室的华裔科学家姚晓天博士发明了光电振荡器，打破了人类振荡器开发的僵局。这种振荡器频率比最快的石英振荡器高近一千倍，而噪声却比石英振荡器还低，且振荡频率不受外界环境影响，成本也能够降得很低。
    那么，什么是光电振荡器呢？这还要从前面所说的几种振荡器的工作原理谈起。如果总结一下振荡器产生振荡的原理你会发现，振荡器的振荡，就是两种能量形式之间的有规律地相互转换,转换是需要时间的。对于“摆”这种振荡器来说，它属于机械振荡，当“摆”摆动到两侧的最高点的时候是静止的，它的势能最大，动能为零，所有机械能都转化成了势能。当它摆动到下方最低点的时候摆动速度最快，这时候它的动能最大，势能为零。“摆”就是这样从动能－势能－动能不断地转换产生了具有固定周期的振荡。对于电子振荡器来说，因为它是由电容和电感构成，所以它的振荡是通过电场能量和磁场能量之间的不断转换而形成振荡。
    而石英振荡器是电能和机械能之间的转换，给石英晶体压力，它两端就产生了电压，机械能变成了电能。给它加电压，它就产生形变，电能变成了机械能，这样周而复始，形成了振荡。
    从上面的总结我们还发现了一个问题，每当人类发现了新的能量转换方式，振荡器的发展就会产生一个飞跃。从这一点看，姚晓天博士发明的光电振荡器正是符合了这一规律，因为，光电振荡器是一种全新的能量转换方式，它是通过光能和电能之间的不断转换而产生振荡。光电振荡器基本构成为激光光源、电光调制晶体、光存储单元，激光通过电光调制进入光存储单元，在光存储单元传播一段路径以后再由电光调制器转换成电能，通过电能存储后再次转换为光进入光存储单元，如此周而复始实现振荡。光电振荡器因为使用了光能作为振荡能量转换媒介，所以噪声低，频率高，不受外界环境（如温度、电磁辐射等）变化的影响。成为当今振荡器中综合性能最好的振荡器。
    光电振荡器构想的出现具有一定的偶然性，它是姚晓天博士在研究如何消除光通信噪声的时候，突发奇想发明出来的。在实施他的这一设想过程中，整个研究过程也经历了很多艰辛和挫折，其中几个重要阶段包括建立数学模型、消除多模影响和光存储元件小型化。目前，美国的光电波公司正在使用姚晓天博士的这一发明专利进行光电振荡器产品开发，振荡器的体积已经从篮球大小缩小成指甲盖大小，完全具有了实用性。
    纵观振荡器的发展历程，机械振荡器的出现让人类有了准确的时间概念。电子振荡器的出现给人类带来了远程通讯。石英振荡器的出现带来了数字电信号的实现，电子技术和人类的生活息息相关。现在，一个性能更加优良的振荡器问世了，那么，它除了解决无线通信的通信质量、计算机速度、网络速度等现实问题以外，还将给人类带来什么样的变迁呢？

http://www.wlsyw.com   整理：占礼葵 2007.6.18

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