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石英晶体的原理及特性

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发表于 2019-9-15 19:19:53 |显示全部楼层
  晶振一般采用如图1a的电容三端式(考毕兹) 交流等效振荡电路;实际的晶振交流等效电路如图1b,其中Cv是用来调节振荡频率,一般用变容二极管加上不同的反偏电压来实现,这也是压控作用的机理;把晶体的等效电路代替晶体后如图1c。其中Co,C1,L1,RR是晶体的等效电路。
  分析整个振荡槽路可知,利用Cv来改变频率是有限的:决定振荡频率的整个槽路电容C=Cbe,Cce,Cv三个电容串联后和Co并联再和C1串联。可以看出:C1越小,Co越大,Cv变化时对整个槽路电容的 作用就越小。因而能“压控”的频率范围也越小。实际上,由于C1很小(1E-15量级),Co不能忽略(1E-12量级,几PF)。所以,Cv变大时,降 低槽路频率的作用越来越小,Cv变小时,升高槽路频率的作用却越来越大。这一方面引起压控特性的非线性,压控范围越大,非线性就越厉害;另一方面,分给振 荡的反馈电压(Cbe上的电压)却越来越小,最后导致停振。
  采用泛音次数越高的晶振,其等效电容C1就越小;因此频率的变化范围也就越小。
  总频差:在规定的时间内,由于规定的工作和非工作参数全部组合而引起的晶体振荡器频率与给定标称频率的最大偏差。
  说明:总频差包括频率温度稳定度、频率老化率造成的偏差、频率电压特性和频率负载特性等共同造成的最大频差。一般只在对短期频率稳定度关心,而对其他频率稳定度指标不严格要求的场合采用。例如:精密制导雷达。
  频率稳定度:任何晶振,频率不稳定是绝对的,程度不同而已。一个晶振的输出频率随时间变化的曲线。图中表现出频率不稳定的三种因素:老化、飘移和短稳。
  曲线秒测量一次的情况,表现了晶振的短稳;曲线秒测量一次的情况,表现了晶振的漂移;曲线天一次测量的情况。表现了晶振的老化。
  频率温度稳定度:在标称电源和负载下,工作在规定温度范围内的不带隐含基准温度或带隐含基准温度的最大允许频偏。
  说明:采用ftref指标的晶体振荡器其生产难度要高于采用ft指标的晶体振荡器,故ftref指标的晶体振荡器售价较高。
  开机特性(频率稳定预热时间):指开机后一段时间(如5分钟)的频率到开机后另一段时间(如1小时)的频率的变化率。表示了晶振达到稳定的速度。这指标对经常开关的仪器如频率计等很有用。
  说明:在多数应用中,晶体振荡器是长期加电的,然而在某些应用中晶体振荡器需要频繁的开机和关机,这时频率稳定预热时间指标需要被考虑到(尤其是 对于在苛刻环境中使用的军用通讯电台,当要求频率温度稳定度0.3ppm(-45℃~85℃),采用OCXO作为本振,频率稳定预热时间将不少于5分 钟,而采用MCXO只需要十几秒钟)。
  频率老化率:在恒定的环境条件下测量振荡器频率时,振荡器频率和时间之间的关系。这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器电路元件的缓慢变化造成 的,因此,其频率偏移的速率叫老化率,可用规定时限后的最大变化率(如10ppb/天,加电72小时后),或规定的时限内最大的总频率变化(如: 1ppm/(第一年)和5ppm/(十年))来表示。
  晶体老化是因为在生产晶体的时候存在应力、污染物、残留气体、结构工艺缺陷等问题。应力要经过一段时间的变化才能稳定,一种叫“应力补偿”的晶体切割方法(SC切割法)使晶体有较好的特性。
  污染物和残留气体的分子会沉积在晶体片上或使晶体电极氧化,振荡频率越高,所用的晶体片就越薄,这种影响就越厉害。这种影响要经过一段较长的时间 才能逐渐稳定,而且这种稳定随着温度或工作状态的变化会有反复使污染物在晶体表面再度集中或分散。因此,频率低的晶振比频率高的晶振、工作时间长的晶 振比工作时间短的晶振、连续工作的晶振比断续工作的晶振的老化率要好。
  短稳:短期稳定度,观察的时间为1毫秒、10毫秒、100毫秒、1秒、10秒。
  晶振的输出频率受到内部电路的影响(晶体的Q值、元器件的噪音、电路的稳定性、工作状态等)而产生频谱很宽的不稳定。测量一连串的频率值后,用阿伦方程计算。相位噪音也同样可以反映短稳的情况(要有专用仪器测量)。
  重现性:定义:晶振经长时间工作稳定后关机,停机一段时间t1(如24小时),开机一段时间t2(如4小时),测得频率f1,再停机同一段时间t1,再开机同一段时间t2,测得频率f2。重现性=(f2-f1)/f2。
  频率压控范围:将频率控制电压从基准电压调到规定的终点电压,晶体振荡器频率的最小峰值改变量。
  说明:基准电压为+2.5V,规定终点电压为+0.5V和+4.5V,压控晶体振荡器在+0.5V频率控制电压时频率改变量为-2ppm,在+ 4.5V频率控制电压时频率改变量为+2.1ppm,则VCXO电压控制频率压控范围表示为:2ppm(2.5V2V),斜率为正,线%。
  压控频率响应范围:当调制频率变化时,峰值频偏与调制频率之间的关系。通常用规定的调制频率比规定的调制基准频率低若干dB表示。
  频率压控线性:与理想(直线)函数相比的输出频率-输入控制电压传输特性的一种量度,它以百分数表示整个范围频偏的可容许非线性度。
  说明:典型的VCXO频率压控线性为:10%,20%。简单的VCXO频率压控线性计算方法为(当频率压控极性为正极性时):
  单边带相位噪声£(f):偏离载波f处,一个相位调制边带的功率密度与载波功率之比。
  方波主要用于数字通信系统时钟上,对方波主要有输出电平、占空比、上升/下降时间、驱动能力等几个指标要求。
  随着科学技术的迅猛发展,通信、雷达和高速数传等类似系统中,需要高质量的信号源作为日趋复杂的基带信息的载波。因为一个带有寄生调幅及调相的载 波信号(不干净的信号)被载有信息的基带信号调制后,这些理想状态下不应存在的频谱成份(载波中的寄生调制)会导致所传输的信号质量及数传误码率明显变 坏。所以作为所传输信号的载体,载波信号的干净程度(频谱纯度)对通信质量有着直接的影响。对于正弦波,通常需要提供例如谐波、噪声和输出功率等指标。
  这类型晶振对温度稳定性的解决方案采用了恒温槽技术,将晶体置于恒温槽内,通过设置恒温工作点,使槽体保持恒温状态,在一定范围内不受外界温度影 响,达到稳定输出频率的效果。这类晶振主要用于各种类型的通信设备,包括交换机、SDH传输设备、移动通信直放机、GPS接收机、电台、数字电视及军工设 备等领域。根据用户需要,该类型晶振可以带压控引脚。OCXO的工作原理如下图3所示:
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