石英晶體諧振器和振蕩器 頻率控制和定時應用教程(之三）

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

?更高的電容比（振蕩器電抗變化的Δf更小）

?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