石英晶體諧振器和振蕩器 頻率控制和定時應(yīng)用教程(之二）

振蕩器不穩(wěn)定性-一般表達式

其中QL=諧振器的負載Q，dφ（ff）是一個小

在偏離載波的偏移頻率ff處環(huán)路相位的變化

頻率f.回路中的系統(tǒng)性相位變化和相位噪聲可能源于諧振器或維持器

電路。最大化QL有助于減少噪聲和環(huán)境引起的維持電子設(shè)備變化的影響。在設(shè)計合理的振蕩器中，短期不穩(wěn)定性由諧振器在小于諧振器半帶寬的偏移頻率下的穩(wěn)定性決定，由維持電路和較大偏移時從環(huán)路輸送的功率量決定。

維持電路引起的不穩(wěn)定

?負載電抗變化-向晶體中添加負載電容會改變頻率

?示例：如果C0=5 pF，C1=14fF，CL=20pF，則ΔCL=10 fF

（=5 X 10-4）導(dǎo)致≈1 X 10-7的頻率變化，并且CL老化

每天10ppm會導(dǎo)致振蕩器每天2 X 10-9次老化。

?驅(qū)動電平變化：對于10 MHz的第三次SC切割，通常每平方米10-8個。

?晶體上的直流偏壓也會導(dǎo)致振蕩器老化。

振蕩器不穩(wěn)定性-調(diào)諧電路

許多振蕩器包含調(diào)諧電路，以抑制不需要的模式，如匹配電路和濾波器。調(diào)諧電路電感和電容的微小變化的影響由下式給出：

其中BW是濾波器的帶寬，ff是濾波器中心頻率與載波頻率的頻率偏移，QL是諧振器的負載Q，Qc、Lc和Cc分別是調(diào)諧電路的Q、電感和電容。

振蕩器不穩(wěn)定-電路噪聲

維持電路中的閃爍PM噪聲導(dǎo)致閃爍FM對振蕩器輸出頻率的貢獻，由下式給出：

其中ff是載波頻率f的頻率偏移，QL是電路中諧振器的負載Q，ckt（1Hz）是ff=1Hz時的閃爍PM噪聲，τ是閃爍下限范圍內(nèi)的任何測量時間。對于QL=106和上ckt（1Hz）=-140dBc/Hz，σy（τ）=8.3 x 10-14。（已實現(xiàn)ckt（1Hz）=-155dBc/Hz。）

振蕩器不穩(wěn)定性-外部負載

如果外部負載發(fā)生變化，反射回振蕩器的信號的幅度或相位也會發(fā)生變化。這個

到達振蕩回路的信號部分會改變振蕩相位，從而改變頻率

其中Γ是負載的VSWR，θ是反射波的相位角；例如，如果Q~106，隔離度~40 dB

（即，~10-4），那么最壞的情況（100%反射）拉動是

~5 x 10-9。AVSWR為2時，最大拉力僅降低了3倍。負載牽引問題在較高頻率下變得更糟，因為Q和隔離度都較低。

振蕩器輸出

大多數(shù)用戶需要正弦波、TTL兼容、CMOS兼容或ECL兼容的輸出。后三種可以簡單地由正弦波產(chǎn)生。四種輸出類型是如下圖所示，虛線表示供應(yīng)電壓輸入，粗實線表示輸出。（正弦波振蕩器沒有“標準”輸入電壓

CMOS的電壓范圍通常為1V至10V。）

為什么選擇Quartz？

石英是唯一已知具有以下特性組合的材料：

?壓電（“壓電”；piezein=按壓，希臘語）

?存在零溫度系數(shù)切割

?存在應(yīng)力補償切割

?低損耗（即高Q值）

?易于加工；在“正?！睏l件下，除氟化物和熱堿蝕刻劑外，在所有物質(zhì)中的溶解度都很低；堅硬但不脆

?自然資源豐富；易于大量生長，成本低，純度和純度相對較高。在人造單晶中，石英的年產(chǎn)量約為3000噸，僅次于硅生長量（截至1997年，每年生長的硅是硅的3到4倍）。

壓電效應(yīng)

壓電效應(yīng)在壓電晶體的機械性能和電路之間提供了耦合。

石英的壓電效應(yīng)

在石英中，所示的五個應(yīng)變分量可能是由電場產(chǎn)生的。下一頁所示的模式可以通過適當放置和形狀的電極來激發(fā)。由場的Y分量產(chǎn)生的圍繞Z軸的剪切應(yīng)變用于旋轉(zhuǎn)Y切割系列，包括AT、BT和ST切割。

運動模式

（單擊模式名稱查看動畫。）

厚度剪切晶體的運動

諧振器振動振幅分布

石英晶體的泛音響應(yīng)

石英具有高度各向異性

l石英的性質(zhì)隨結(jié)晶方向變化很大。

例如，當石英球在HF中被蝕刻得很深時

當沿Z軸觀察時球體呈現(xiàn)三角形形狀并且當沿Y軸觀察時呈現(xiàn)透鏡形狀。蝕刻速率為

沿著最快蝕刻速率方向（Z方向）比沿著最慢方向（慢X方向）快100倍以上。

l熱膨脹系數(shù)為7.8 x 10-6/C沿Z方向，14.3 x 10-6/C垂直于Z方向；因此，密度的溫度系數(shù)為-36.4 x 10-6/C

l彈性常數(shù)的溫度系數(shù)范圍為-3300 x 10-6/C（適用于C12）至+164 x 10-6/C（適用于C66）。

l對于適當?shù)那懈罱嵌?，前一?a target="_blank">Tf中前兩項的總和被第三項（即溫度）抵消

石英中存在補償切割。（見下頁。）