石英晶体谐振器和振荡器 频率控制和定时应用教程(之三）
零温度系数石英切割
SC和AT切割的比较
•SC切割的优点
•热瞬态补偿（允许更快地预热OCXO）
•静态和动态f与T允许更高的稳定性OCXO和MCXO
•更好的f与T重复性允许更高的稳定性OCXO和MCXO
•活动下降要少得多
•较低的驱动电平灵敏度
•平面应力补偿；由于边缘力和弯曲，Δf降低
•对辐射的敏感性较低
•相似几何形状的基模谐振器具有更高的Q值
•对板材几何形状不太敏感-可以使用各种轮廓
•SC切割的缺点：OCXO更难制造（但MCXO比精密TCXO的AT切割更容易制造）
•其他重大差异
•B模式在SC切割中被激发，尽管不一定在LFR中
•SC切割对电场敏感（可用于补偿）
SC切割模式光谱仪
单旋转和双旋转切口的振动位移
谐振器封装
两点安装包 三点和四点安装包
等效电路
谐振器的等效电路
晶体振荡器f与T补偿
谐振器电抗与频率
等效电路参数关系
Q是什么，为什么它很重要？
Q与衰减时间成正比，与之成反比
与共振线宽成比例（见下页）。
•Q值越高，谐振器的频率稳定性和精度能力就越高（即，高Q值是
必要但不是充分条件）。例如，如果Q=106，那么10-10的精度需要能够将共振曲线的中心确定为线宽的0.01%，而10-12的稳定性（在一些平均时间内）需要能够保持在共振曲线的峰值附近，达到线宽的10-6。
•载波附近的相位噪声对Q的依赖性特别强（石英振荡器的上（f）≠1/Q4）。
衰减时间、线宽和Q
决定谐振器Q的因素
谐振器的最大Q值可以表示为：
其中f是频率，单位为Hz，τ是经验确定的“运动”
时间常数”，单位为秒，随切割角度和振动模式而变化。例如，AT切割的c模式的τ=1 x 10-14s（5 MHz下的Q max=320万），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。
影响谐振器Q值的其他因素包括：
谐振器制造步骤
晶体板的X射线取向
污染控制
在谐振器制造过程中，污染控制至关重要，因为污染会对以下方面产生不利影响：
•稳定性（见第4章）
-衰老
-磁滞
-回溯
-噪音
-非线性和电阻异常（高启动
电阻、二级驱动、滤波器互调）
-频率跳跃？
•制造产量
•可靠性
晶体外壳污染
外壳和密封过程对谐振器的稳定性有重要影响。
•单层吸附污染物含有约1015个分子/cm2（在光滑表面上）
•10-7torr的外壳包含~109个气体分子/cm3
因此：
在1 cm3的外壳中，有单层污染
在其内表面上，吸附量是其106倍
当外壳在10-7torr下密封时，分子比气体分子大。这种吸附物的解吸和吸附
分子会导致老化、滞后、回扫、噪声等。
石英技术的里程碑
1880年雅克和皮埃尔·居里发现压电效应
1905年，G.Spezia首次在实验室中进行石英的水热生长
1917压电效应在声纳中的首次应用
1918年压电晶体首次用于振荡器
1926年第一家石英晶体控制广播电台
1927年发现第一个温度补偿石英切割1927年建造第一个石英钟
1934年，开发了第一种实用的温度补偿切割，即AT切割
1949年，开发出流线型、高Q值、高稳定性的AT切割机
1956年，第一种商业化养殖石英问世
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）预测；1976年验证
1982年，第一个具有双c模式自温度传感的MCXO
手表用石英谐振器
要求：
•体积小
•低功耗（包括振荡器）
•成本低
•高稳定性（温度、老化、冲击、姿态）
32768 Hz石英音叉可以满足这些要求
为什么是32,768赫兹？
石英音叉
手表水晶
无电极（BVA）谐振器
透视中的稳定单位
1010中的一个部分是什么？（如1 x 10-10/天老化。）
•距离地球周长约1/2厘米。
•人类寿命约1/4秒（约80年）。
•地球上从GPS卫星接收到的功率为-160 dBW，与洛杉矶的手电筒在约5000公里外的纽约市看起来一样“明亮”（忽略地球的曲率）。
•-170 dB是什么？（如-170 dBc/Hz相位噪声。）
•-170 dB=1017分之一≈世界上所有汽车一天行驶的总距离中一张纸的厚度。
准确度、精度和稳定性
对振荡器频率的影响
理想频率时间影响行为
老化和短期稳定性
衰老机制
l污染引起的传质
由于f≠1/t，Δf/f=-Δt/t；例如，f5MHz Fund≈106个分子层，因此，1个石英等效单层⇒Δf/f≈1 ppm
l谐振器中的应力释放：安装和粘合结构、电极和石英（？）
l其他影响
石英脱气
扩散效应
化学反应效应
谐振器外壳中的压力变化（泄漏和放气）
振荡器电路老化（负载电抗和驱动电平变化）
电场变化（仅双旋转晶体）
烤箱控制电路老化
典型的衰老行为
石英谐振板上的应力
原因：
•热膨胀系数差异
•粘合材料在固化/固化时会改变尺寸
•夹具成型和焊接操作、密封造成的残余应力
•电极内应力
•石英生长过程中的不均匀生长、杂质和其他缺陷
•切割、研磨和（机械）抛光造成的表面损坏
影响：
•平面内径向力
•切向（扭转）力，特别是在3点和4点安装中
•弯曲（挠曲）力，例如由于夹子错位和电极应力
•位错、夹杂物、其他杂质和表面损伤导致的石英晶格中的局部应力
弯曲力与频率变化
AT切谐振器 SC切谐振器
短期不稳定性（噪声）
振荡器的瞬时输出电压
振荡器噪声的影响
•限制了确定振荡器当前状态和可预测性的能力
•限制同步和同步精度
•限制接收器的有用动态范围、信道间隔和选择性；可以限制抗干扰能力
•限制雷达性能（尤其是多普勒雷达）•导致定时误差[~τσy（τ）]
•导致数字通信系统中的比特错误
•限制通信系统用户数量，因为发射机的噪声会干扰附近信道中的接收机
•限制导航精度
•限制锁定窄线宽谐振的能力
•可能导致锁丢失；可以限制锁相环系统中的捕获/重新捕获能力
时域-频域
-
振荡器
+关注
关注
28文章
3832浏览量
139029 -
石英晶体
+关注
关注
0文章
171浏览量
38555 -
频率控制
+关注
关注
0文章
23浏览量
10010 -
石英晶体谐振器
+关注
关注
0文章
24浏览量
2794
发布评论请先 登录
相关推荐
工商网监
评论