石英晶體諧振器和振蕩器 頻率控制和定時(shí)應(yīng)用教程(之一）

石英晶體的電子學(xué)應(yīng)用

頻率控制設(shè)備市場(chǎng)

（估計(jì)數(shù)，截至2006年）

導(dǎo)航

精確的時(shí)間對(duì)于精確的導(dǎo)航至關(guān)重要。從歷史上看，導(dǎo)航一直是人類尋找更好時(shí)鐘的主要?jiǎng)恿?。即使在古代，一個(gè)可以通過觀測(cè)恒星的位置來測(cè)量緯度。然而，為了確定經(jīng)度，問題變成了時(shí)間問題。由于地球在24小時(shí)內(nèi)自轉(zhuǎn)一周，因此可以從當(dāng)?shù)貢r(shí)間（根據(jù)太陽位置確定）和格林尼治時(shí)間之間的時(shí)差來確定經(jīng)度子午線（由時(shí)鐘決定）：

經(jīng)度（度）=（360度/24小時(shí)）x t（小時(shí)）。

1714年，英國(guó)政府向第一位

一個(gè)人制作一個(gè)時(shí)鐘，在六周的航行結(jié)束時(shí)，可以確定船只的經(jīng)度為30海里（即時(shí)鐘精度為3每天幾秒鐘）。1735年，英國(guó)人約翰·哈里森憑借他的天文鐘發(fā)明贏得了比賽。

今天的電子導(dǎo)航系統(tǒng)仍然需要更高的精度。As電磁波每微秒傳播300米，例如，如果船只的計(jì)時(shí)誤差為1毫秒，將導(dǎo)致300公里的導(dǎo)航誤差。在全球定位系統(tǒng)（GPS）中，衛(wèi)星中的原子鐘和接收器中的石英振蕩器提供納秒級(jí)的精度。結(jié)果（全球）導(dǎo)航精度約為10米（有關(guān)GPS的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱第8章）。

商業(yè)雙向電臺(tái)

從歷史上看，隨著商用雙向無線電的用戶數(shù)量已經(jīng)增長(zhǎng)，通道間距變窄，甚至更高-必須分配頻譜以適應(yīng)需求。更窄的信道間隔和更高的工作頻率要求發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都有更嚴(yán)格的頻率容差。1940年，當(dāng)時(shí)只有幾千個(gè)商業(yè)廣播在使用變送器時(shí)，500ppm的公差就足夠了。如今，數(shù)以百萬計(jì)的蜂窩電話（工作在800MHz以上的頻帶）中的振蕩器必須保持2.5ppm或更高的頻率容限。896-901 MHz和935-940 MHz移動(dòng)無線電頻帶要求基站的頻率容限為0.1 ppm，移動(dòng)站的頻率容限時(shí)為1.5 ppm。

容納更多用戶的需求將繼續(xù)要求越來越高的頻率精度。例如，美國(guó)國(guó)家航空航天局的個(gè)人衛(wèi)星通信系統(tǒng)概念將使用對(duì)講機(jī)，如手持終端、30GHz上行鏈路、20GHz下行鏈路和10kHz信道間隔。終端的頻率精度要求是108中的幾個(gè)部分.

模擬信號(hào)的數(shù)字處理定時(shí)抖動(dòng)的影響

數(shù)字網(wǎng)絡(luò)同步

?同步在數(shù)字電信系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。它確保在最小的緩沖區(qū)溢出或下溢事件下執(zhí)行信息傳輸，即在可接受的“滑動(dòng)”水平下?；瑒?dòng)會(huì)導(dǎo)致問題，例如傳真?zhèn)鬏斨械木€路缺失、語音傳輸中的點(diǎn)擊、安全語音傳輸中加密密鑰的丟失以及數(shù)據(jù)重傳。

?例如，在AT&T的網(wǎng)絡(luò)中，定時(shí)是按節(jié)點(diǎn)層次分布的。在包含時(shí)鐘的成對(duì)節(jié)點(diǎn)之間建立定時(shí)源-接收器關(guān)系。時(shí)鐘有四種類型，分為四個(gè)“層次”

PLL和PSK系統(tǒng)中的相位噪聲

當(dāng)使用相移鍵控（PSK）數(shù)字調(diào)制時(shí)，振蕩器的相位噪聲會(huì)導(dǎo)致對(duì)相變的錯(cuò)誤檢測(cè)，即比特誤差。例如，在數(shù)字通信中，使用8相PSK時(shí)，最大相位容差為±22.5o，其中±7.5o是典型的允許載波噪聲貢獻(xiàn)。由于相位偏差的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，例如，如果RMS相位偏差為1.5o，則超過±7.5o相位偏差的概率為6 X 10-7，這在某些應(yīng)用中可能會(huì)導(dǎo)致顯著的誤碼率。

即使在“低噪聲”振蕩器中，沖擊和振動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生較大的相位偏差。此外，當(dāng)振蕩器的頻率乘以N時(shí)，相位偏差也乘以N例如，10MHz下10-3弧度的相位偏差在10GHz下變?yōu)?弧度。如此大的相位偏移可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能，例如依賴于鎖相環(huán)（PLL）或相移鍵控（PSK）的系統(tǒng)的性能。低噪聲、加速度不敏感的振蕩器在此類應(yīng)用中至關(guān)重要。

晶體振蕩器

振蕩

?在振蕩頻率下，閉環(huán)相移=2nπ。

?初始通電時(shí)，電路中唯一的信號(hào)是噪音。頻率滿足振蕩相位條件的噪聲分量以增加的幅度在環(huán)路周圍傳播。比率增長(zhǎng)取決于過剩；即小信號(hào)、環(huán)路增益和網(wǎng)絡(luò)中晶體的帶寬。

?振幅繼續(xù)增加，直到放大器增益因有源元件的非線性（“自限”）或某些自動(dòng)電平控制而降低。

?在穩(wěn)態(tài)下，閉環(huán)增益=1。

振蕩和穩(wěn)定性

?如果發(fā)生相位擾動(dòng)Δφ，頻率必須偏移Δf以保持2nπ相位條件，其中串聯(lián)諧振振蕩器的Δf/f=-Δφ/2QL，QL是網(wǎng)絡(luò)中晶體的負(fù)載Q?！跋辔恍甭省眃φ/df與串聯(lián)諧振頻率附近的QL成正比（另見第3章中的“等效電路”和“頻率與電抗”）。

?大多數(shù)振蕩器在“并聯(lián)諧振”下工作，其中電抗與頻率斜率dX/df，即“剛度”，與晶體單元的動(dòng)電容C1成反比。

?相位（或電抗）的最大頻率穩(wěn)定性

在振蕩器回路中的擾動(dòng)下，相位斜率（或電抗斜率）必須最大，即C1應(yīng)最小，QL應(yīng)最大。Aquartz晶體單元的高Q值和高剛度使其成為振蕩器中的主要頻率（和頻率穩(wěn)定性）決定元件。

可調(diào)性和穩(wěn)定性

使振蕩器在寬頻率范圍內(nèi)可調(diào)會(huì)降低其穩(wěn)定性，因?yàn)槭拐袷幤魅菀资艿接幸庹{(diào)諧的影響，也會(huì)使其容易受到導(dǎo)致無意調(diào)諧的因素的影響。調(diào)諧范圍越寬，保持高穩(wěn)定性就越困難。例如，如果OCXO被設(shè)計(jì)為在某個(gè)平均時(shí)間內(nèi)具有1 x 10-12的短期穩(wěn)定性和1 x 10-7的可調(diào)性，那么晶體的負(fù)載電抗在該平均時(shí)間內(nèi)必須穩(wěn)定到1 x 10-5。實(shí)現(xiàn)這種穩(wěn)定性是困難的，因?yàn)樨?fù)載電抗受到雜散電容和電感、變?nèi)?a target="_blank">二極管電容與電壓特性的穩(wěn)定性以及變?nèi)荻O管上電壓穩(wěn)定性的影響。此外，1 x 10-5負(fù)載電抗穩(wěn)定性不僅必須在良性條件下保持，而且必須在不斷變化的環(huán)境條件下（溫度、振動(dòng)、輻射等）保持。

盡管高穩(wěn)定性、烤箱化的10 MHz壓控振蕩器可能具有5 x 10-7的頻率調(diào)節(jié)范圍和每年2 x 10-8的增益率，但寬調(diào)諧范圍的10 MHz VCXO可能具有50 ppm的調(diào)諧范圍和每年2ppm的老化率。

振蕩器縮略語

最常用的：

?XO…………晶體振蕩器

?VCXO……壓控晶體振蕩器

?OCXO…….恒溫晶體振蕩器

?TCXO…….溫度補(bǔ)償晶體振蕩器

其他：

?TCVCXO…溫度補(bǔ)償/壓控晶體振蕩器

?OCVCXO…爐控/壓控晶體振蕩器

?MCXO…….微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器

?RbXO………銣晶體振蕩器

晶體振蕩器分類

根據(jù)處理晶體單元頻率與溫度（f與T）特性的方法，有三類：

?XO，晶體振蕩器，不包含降低晶體f與T特性的方法（也稱為PXO封裝晶體振蕩器）。

?TCXO，溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，其中，例如，溫度傳感器（如熱敏電阻）的輸出信號(hào)用于產(chǎn)生校正電壓，該電壓施加到晶體網(wǎng)絡(luò)中的可變電抗（如變?nèi)荻O管）上。電抗變化補(bǔ)償了晶體的f對(duì)T特性。模擬TCXO可以比晶體的f與T變化提高約20倍。

?OCXO，爐控晶體振蕩器，其中晶體和其他溫度敏感元件處于穩(wěn)定的爐中，該爐被調(diào)節(jié)到晶體f與T斜率為零的溫度。OCXO可以比晶體的f與T變化提高1000倍以上。

晶體振蕩器分類

振蕩器的層次結(jié)構(gòu)

*尺寸范圍從時(shí)鐘振蕩器的<1cm3到Cs標(biāo)準(zhǔn)的>30升。成本范圍從時(shí)鐘振子的<1美元到Cs標(biāo)準(zhǔn)中的>50000美元。

**包括環(huán)境影響（例如-40℃至+75℃）和一年的老化。

振蕩器電路類型

在眾多振蕩器電路類型中，Pierce、Colpitts和Clapp這三種更常見的振蕩器電路類型由同一電路組成，只是射頻接地點(diǎn)不同。巴特勒和改良版巴特勒也很相似；在每種情況下，發(fā)射極電流都是晶體

電流。門振蕩器是皮爾斯型，它使用邏輯門加上電阻器來代替皮爾斯振蕩器中的晶體管。（一些門振蕩器使用多個(gè)門）。

OCXO框圖