零溫度系數(shù)石英切割
SC和AT切割的比較
?SC切割的優(yōu)點
?熱瞬態(tài)補償(允許更快地預熱OCXO)
?靜態(tài)和動態(tài)f與T允許更高的穩(wěn)定性OCXO和MCXO
?更好的f與T重復性允許更高的穩(wěn)定性OCXO和MCXO
?活動下降要少得多
?較低的驅(qū)動電平靈敏度
?平面應力補償;由于邊緣力和彎曲,Δf降低
?對輻射的敏感性較低
?相似幾何形狀的基模諧振器具有更高的Q值
?對板材幾何形狀不太敏感-可以使用各種輪廓
?SC切割的缺點:OCXO更難制造(但MCXO比精密TCXO的AT切割更容易制造)
?其他重大差異
?B模式在SC切割中被激發(fā),盡管不一定在LFR中
?SC切割對電場敏感(可用于補償)
SC切割模式光譜儀
單旋轉(zhuǎn)和雙旋轉(zhuǎn)切口的振動位移
諧振器封裝
兩點安裝包 三點和四點安裝包
等效電路
諧振器的等效電路
晶體振蕩器f與T補償
諧振器電抗與頻率
等效電路參數(shù)關系
Q是什么,為什么它很重要?
Q與衰減時間成正比,與之成反比
與共振線寬成比例(見下頁)。
?Q值越高,諧振器的頻率穩(wěn)定性和精度能力就越高(即,高Q值是
必要但不是充分條件)。例如,如果Q=106,那么10-10的精度需要能夠?qū)⒐舱袂€的中心確定為線寬的0.01%,而10-12的穩(wěn)定性(在一些平均時間內(nèi))需要能夠保持在共振曲線的峰值附近,達到線寬的10-6。
?載波附近的相位噪聲對Q的依賴性特別強(石英振蕩器的上(f)≠1/Q4)。
衰減時間、線寬和Q
決定諧振器Q的因素
諧振器的最大Q值可以表示為:
其中f是頻率,單位為Hz,τ是經(jīng)驗確定的“運動”
時間常數(shù)”,單位為秒,隨切割角度和振動模式而變化。例如,AT切割的c模式的τ=1 x 10-14s(5 MHz下的Q max=320萬),SC切割的c模的τ=9.9 x 10-15s,BT切割的b模式的τ=4.9 x 10-15s。
影響諧振器Q值的其他因素包括:
諧振器制造步驟
晶體板的X射線取向
污染控制
在諧振器制造過程中,污染控制至關重要,因為污染會對以下方面產(chǎn)生不利影響:
?穩(wěn)定性(見第4章)
-衰老
-磁滯
-回溯
-噪音
-非線性和電阻異常(高啟動
電阻、二級驅(qū)動、濾波器互調(diào))
-頻率跳躍?
?制造產(chǎn)量
?可靠性
晶體外殼污染
外殼和密封過程對諧振器的穩(wěn)定性有重要影響。
?單層吸附污染物含有約1015個分子/cm2(在光滑表面上)
?10-7torr的外殼包含~109個氣體分子/cm3
因此:
在1 cm3的外殼中,有單層污染
在其內(nèi)表面上,吸附量是其106倍
當外殼在10-7torr下密封時,分子比氣體分子大。這種吸附物的解吸和吸附
分子會導致老化、滯后、回掃、噪聲等。
石英技術的里程碑
1880年雅克和皮埃爾·居里發(fā)現(xiàn)壓電效應
1905年,G.Spezia首次在實驗室中進行石英的水熱生長
1917壓電效應在聲納中的首次應用
1918年壓電晶體首次用于振蕩器
1926年第一家石英晶體控制廣播電臺
1927年發(fā)現(xiàn)第一個溫度補償石英切割1927年建造第一個石英鐘
1934年,開發(fā)了第一種實用的溫度補償切割,即AT切割
1949年,開發(fā)出流線型、高Q值、高穩(wěn)定性的AT切割機
1956年,第一種商業(yè)化養(yǎng)殖石英問世
1956年,首次描述了TCXO
1972年研制微型石英音叉;石英手表可用
1974年SC切割(和TS/TTC切割)預測;1976年驗證
1982年,第一個具有雙c模式自溫度傳感的MCXO
手表用石英諧振器
要求:
?體積小
?低功耗(包括振蕩器)
?成本低
?高穩(wěn)定性(溫度、老化、沖擊、姿態(tài))
32768 Hz石英音叉可以滿足這些要求
為什么是32,768赫茲?
石英音叉
手表水晶
無電極(BVA)諧振器
透視中的穩(wěn)定單位
1010中的一個部分是什么?(如1 x 10-10/天老化。)
?距離地球周長約1/2厘米。
?人類壽命約1/4秒(約80年)。
?地球上從GPS衛(wèi)星接收到的功率為-160 dBW,與洛杉磯的手電筒在約5000公里外的紐約市看起來一樣“明亮”(忽略地球的曲率)。
?-170 dB是什么?(如-170 dBc/Hz相位噪聲。)
?-170 dB=1017分之一≈世界上所有汽車一天行駛的總距離中一張紙的厚度。
準確度、精度和穩(wěn)定性
對振蕩器頻率的影響
理想頻率時間影響行為
老化和短期穩(wěn)定性
衰老機制
l污染引起的傳質(zhì)
由于f≠1/t,Δf/f=-Δt/t;例如,f5MHz Fund≈106個分子層,因此,1個石英等效單層?Δf/f≈1 ppm
l諧振器中的應力釋放:安裝和粘合結構、電極和石英(?)
l其他影響
石英脫氣
擴散效應
化學反應效應
諧振器外殼中的壓力變化(泄漏和放氣)
振蕩器電路老化(負載電抗和驅(qū)動電平變化)
電場變化(僅雙旋轉(zhuǎn)晶體)
烤箱控制電路老化
典型的衰老行為
石英諧振板上的應力
原因:
?熱膨脹系數(shù)差異
?粘合材料在固化/固化時會改變尺寸
?夾具成型和焊接操作、密封造成的殘余應力
?電極內(nèi)應力
?石英生長過程中的不均勻生長、雜質(zhì)和其他缺陷
?切割、研磨和(機械)拋光造成的表面損壞
影響:
?平面內(nèi)徑向力
?切向(扭轉(zhuǎn))力,特別是在3點和4點安裝中
?彎曲(撓曲)力,例如由于夾子錯位和電極應力
?位錯、夾雜物、其他雜質(zhì)和表面損傷導致的石英晶格中的局部應力
彎曲力與頻率變化
AT切諧振器 SC切諧振器
短期不穩(wěn)定性(噪聲)
振蕩器的瞬時輸出電壓
振蕩器噪聲的影響
?限制了確定振蕩器當前狀態(tài)和可預測性的能力
?限制同步和同步精度
?限制接收器的有用動態(tài)范圍、信道間隔和選擇性;可以限制抗干擾能力
?限制雷達性能(尤其是多普勒雷達)?導致定時誤差[~τσy(τ)]
?導致數(shù)字通信系統(tǒng)中的比特錯誤
?限制通信系統(tǒng)用戶數(shù)量,因為發(fā)射機的噪聲會干擾附近信道中的接收機
?限制導航精度
?限制鎖定窄線寬諧振的能力
?可能導致鎖丟失;可以限制鎖相環(huán)系統(tǒng)中的捕獲/重新捕獲能力
時域-頻域
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