石英晶體的原理及特性

晶振的基本原理及特性

晶振一般采用如圖1a的電容三端式(考畢茲) 交流等效振蕩電路;實(shí)際的晶振交流等效電路如圖1b，其中Cv是用來(lái)調節振蕩頻率，一般用變容二極管加上不同的反偏電壓來(lái)實(shí)現，這也是壓控作用的機理;把晶體的等效電路代替晶體后如圖1c。其中Co，C1，L1，RR是晶體的等效電路。

分析整個(gè)振蕩槽路可知，利用Cv來(lái)改變頻率是有限的：決定振蕩頻率的整個(gè)槽路電容C=Cbe,Cce,Cv三個(gè)電容串聯(lián)后和Co并聯(lián)再和C1串聯(lián)?？梢钥闯觯篊1越小，Co越大，Cv變化時(shí)對整個(gè)槽路電容的 作用就越小。因而能“壓控”的頻率范圍也越小。實(shí)際上，由于C1很小(1E-15量級)，Co不能忽略(1E-12量級，幾PF)。所以，Cv變大時(shí)，降 低槽路頻率的作用越來(lái)越小，Cv變小時(shí)，升高槽路頻率的作用卻越來(lái)越大。這一方面引起壓控特性的非線(xiàn)性，壓控范圍越大，非線(xiàn)性就越厲害;另一方面，分給振 蕩的反饋電壓(Cbe上的電壓)卻越來(lái)越小，最后導致停振。

采用泛音次數越高的晶振，其等效電容C1就越小;因此頻率的變化范圍也就越小。

晶振的指標

總頻差：在規定的時(shí)間內，由于規定的工作和非工作參數全部組合而引起的晶體振蕩器頻率與給定標稱(chēng)頻率的最大偏差。

說(shuō)明：總頻差包括頻率溫度穩定度、頻率老化率造成的偏差、頻率電壓特性和頻率負載特性等共同造成的最大頻差。一般只在對短期頻率穩定度關(guān)心，而對其他頻率穩定度指標不嚴格要求的場(chǎng)合采用。例如：精密制導雷達。

頻率穩定度：任何晶振，頻率不穩定是絕對的，程度不同而已。一個(gè)晶振的輸出頻率隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)如圖2。圖中表現出頻率不穩定的三種因素：老化、飄移和短穩。

圖2 晶振輸出頻率隨時(shí)間變化的示意圖

曲線(xiàn)1是用0.1秒測量一次的情況，表現了晶振的短穩;曲線(xiàn)3是用100秒測量一次的情況，表現了晶振的漂移;曲線(xiàn)4 是用1天一次測量的情況。表現了晶振的老化。

頻率溫度穩定度：在標稱(chēng)電源和負載下，工作在規定溫度范圍內的不帶隱含基準溫度或帶隱含基準溫度的最大允許頻偏。

ft=±(fmax-fmin)/(fmax+fmin)

ftref =±MAX[|(fmax-fref)/fref|，|(fmin-fref)/fref|]

ft：頻率溫度穩定度(不帶隱含基準溫度)

ftref：頻率溫度穩定度(帶隱含基準溫度)

fmax ：規定溫度范圍內測得的最高頻率

fmin：規定溫度范圍內測得的最低頻率

fref：規定基準溫度測得的頻率

說(shuō)明：采用ftref指標的晶體振蕩器其生產(chǎn)難度要高于采用ft指標的晶體振蕩器,故ftref指標的晶體振蕩器售價(jià)較高。

開(kāi)機特性(頻率穩定預熱時(shí)間)：指開(kāi)機后一段時(shí)間(如5分鐘)的頻率到開(kāi)機后另一段時(shí)間(如1小時(shí))的頻率的變化率。表示了晶振達到穩定的速度。這指標對經(jīng)常開(kāi)關(guān)的儀器如頻率計等很有用。

說(shuō)明：在多數應用中，晶體振蕩器是長(cháng)期加電的，然而在某些應用中晶體振蕩器需要頻繁的開(kāi)機和關(guān)機，這時(shí)頻率穩定預熱時(shí)間指標需要被考慮到(尤其是 對于在苛刻環(huán)境中使用的軍用通訊電臺，當要求頻率溫度穩定度≤±0.3ppm(-45℃～85℃)，采用OCXO作為本振，頻率穩定預熱時(shí)間將不少于5分 鐘，而采用MCXO只需要十幾秒鐘)。

頻率老化率：在恒定的環(huán)境條件下測量振蕩器頻率時(shí)，振蕩器頻率和時(shí)間之間的關(guān)系。這種長(cháng)期頻率漂移是由晶體元件和振蕩器電路元件的緩慢變化造成 的，因此，其頻率偏移的速率叫老化率，可用規定時(shí)限后的最大變化率(如±10ppb/天，加電72小時(shí)后)，或規定的時(shí)限內最大的總頻率變化(如：± 1ppm/(第一年)和±5ppm/(十年))來(lái)表示。

晶體老化是因為在生產(chǎn)晶體的時(shí)候存在應力、污染物、殘留氣體、結構工藝缺陷等問(wèn)題。應力要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的變化才能穩定，一種叫“應力補償”的晶體切割方法(SC切割法)使晶體有較好的特性。

污染物和殘留氣體的分子會(huì )沉積在晶體片上或使晶體電極氧化，振蕩頻率越高，所用的晶體片就越薄，這種影響就越厲害。這種影響要經(jīng)過(guò)一段較長(cháng)的時(shí)間 才能逐漸穩定，而且這種穩定隨著(zhù)溫度或工作狀態(tài)的變化會(huì )有反復——使污染物在晶體表面再度集中或分散。因此，頻率低的晶振比頻率高的晶振、工作時(shí)間長(cháng)的晶 振比工作時(shí)間短的晶振、連續工作的晶振比斷續工作的晶振的老化率要好。

說(shuō)明：TCXO的頻率老化率為：±0.2ppm～±2ppm(第一年)和±1ppm～±5ppm(十年)(除特殊情況，TCXO很少采用每天頻率 老化率的指標，因為即使在實(shí)驗室的條件下，溫度變化引起的頻率變化也將大大超過(guò)溫度補償晶體振蕩器每天的頻率老化，因此這個(gè)指標失去了實(shí)際的意義)。 OCXO的頻率老化率為：±0.5ppb～±10ppb/天(加電72小時(shí)后)，±30ppb～±2ppm(第一年)，±0.3ppm～±3ppm(十 年)。

短穩：短期穩定度，觀(guān)察的時(shí)間為1毫秒、10毫秒、100毫秒、1秒、10秒。

晶振的輸出頻率受到內部電路的影響(晶體的Q值、元器件的噪音、電路的穩定性、工作狀態(tài)等)而產(chǎn)生頻譜很寬的不穩定。測量一連串的頻率值后，用阿倫方程計算。相位噪音也同樣可以反映短穩的情況(要有專(zhuān)用儀器測量)。

重現性：定義：晶振經(jīng)長(cháng)時(shí)間工作穩定后關(guān)機，停機一段時(shí)間t1(如24小時(shí))，開(kāi)機一段時(shí)間t2(如4小時(shí))，測得頻率f1，再停機同一段時(shí)間t1，再開(kāi)機同一段時(shí)間t2，測得頻率f2。重現性=(f2-f1)/f2。

頻率壓控范圍：將頻率控制電壓從基準電壓調到規定的終點(diǎn)電壓，晶體振蕩器頻率的最小峰值改變量。

說(shuō)明：基準電壓為+2.5V，規定終點(diǎn)電壓為+0.5V和+4.5V，壓控晶體振蕩器在+0.5V頻率控制電壓時(shí)頻率改變量為-2ppm，在+ 4.5V頻率控制電壓時(shí)頻率改變量為+2.1ppm，則VCXO電壓控制頻率壓控范圍表示為：≥±2ppm(2.5V±2V)，斜率為正，線(xiàn)性為+ 2.4%。

壓控頻率響應范圍：當調制頻率變化時(shí)，峰值頻偏與調制頻率之間的關(guān)系。通常用規定的調制頻率比規定的調制基準頻率低若干dB表示。

說(shuō)明：VCXO頻率壓控范圍頻率響應為0～10kHz。

頻率壓控線(xiàn)性：與理想(直線(xiàn))函數相比的輸出頻率-輸入控制電壓傳輸特性的一種量度，它以百分數表示整個(gè)范圍頻偏的可容許非線(xiàn)性度。

說(shuō)明：典型的VCXO頻率壓控線(xiàn)性為：≤±10%，≤±20%。簡(jiǎn)單的VCXO頻率壓控線(xiàn)性計算方法為(當頻率壓控極性為正極性時(shí))：

頻率壓控線(xiàn)性=±((fmax-fmin)/ f0)×100%

fmax：VCXO在最大壓控電壓時(shí)的輸出頻率

fmin：VCXO在最小壓控電壓時(shí)的輸出頻率

f0：壓控中心電壓頻率

單邊帶相位噪聲￡(f)：偏離載波f處，一個(gè)相位調制邊帶的功率密度與載波功率之比。

輸出波形：從大類(lèi)來(lái)說(shuō)，輸出波形可以分為方波和正弦波兩類(lèi)。

方波主要用于數字通信系統時(shí)鐘上，對方波主要有輸出電平、占空比、上升/下降時(shí)間、驅動(dòng)能力等幾個(gè)指標要求。

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，通信、雷達和高速數傳等類(lèi)似系統中，需要高質(zhì)量的信號源作為日趨復雜的基帶信息的載波。因為一個(gè)帶有寄生調幅及調相的載 波信號(不干凈的信號)被載有信息的基帶信號調制后，這些理想狀態(tài)下不應存在的頻譜成份(載波中的寄生調制)會(huì )導致所傳輸的信號質(zhì)量及數傳誤碼率明顯變 壞。所以作為所傳輸信號的載體，載波信號的干凈程度(頻譜純度)對通信質(zhì)量有著(zhù)直接的影響。對于正弦波，通常需要提供例如諧波、噪聲和輸出功率等指標。

晶振的分類(lèi)

根據晶振的功能和實(shí)現技術(shù)的不同，可以將晶振分為以下四類(lèi)：

1) 恒溫晶體振蕩器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)OCXO)

這類(lèi)型晶振對溫度穩定性的解決方案采用了恒溫槽技術(shù)，將晶體置于恒溫槽內，通過(guò)設置恒溫工作點(diǎn)，使槽體保持恒溫狀態(tài)，在一定范圍內不受外界溫度影 響，達到穩定輸出頻率的效果。這類(lèi)晶振主要用于各種類(lèi)型的通信設備，包括交換機、SDH傳輸設備、移動(dòng)通信直放機、GPS接收機、電臺、數字電視及軍工設 備等領(lǐng)域。根據用戶(hù)需要，該類(lèi)型晶振可以帶壓控引腳。OCXO的工作原理如下圖3所示：

圖3恒溫晶體振蕩器原理框圖