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晶振的基本原理及特性 |
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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；實際的晶振交流等效電路如圖1b，其中Cv是用來調(diào)節(jié)振蕩頻率，一般用變?nèi)荻䴓O管加上不同的反偏電壓來實現(xiàn)，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。
分析整個振蕩槽路可知，利用Cv來改變頻率是有限的：決定振蕩頻率的整個槽路電容C=Cbe,Cce,Cv三個電容串聯(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變化時對整個槽路電容的作用就越小。因而能“壓控”的頻率范圍也越小。實際上，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，降低槽路頻率的作用越來越小，Cv變小時，升高槽路頻率的作用卻越來越大。這一方面引起壓控特性的非線性，壓控范圍越大，非線性就越厲害；另一方面，分給振蕩的反饋電壓(Cbe上的電壓)卻越來越小，最后導致停振。
采用泛音次數(shù)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(guī)定的時間內(nèi)，由于規(guī)定的工作和非工作參數(shù)全部組合而引起的晶體振蕩器頻率與給定標稱頻率的最大偏差。
說明：總頻差包括頻率溫度穩(wěn)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(wěn)定度關心，而對其他頻率穩(wěn)定度指標不嚴格要求的場合采用。例如：精密制導雷達。
頻率穩(wěn)定度：任何晶振，頻率不穩(wěn)定是絕對的，程度不同而已。一個晶振的輸出頻率隨時間變化的曲線如圖2。圖中表現(xiàn)出頻率不穩(wěn)定的三種因素：老化、飄移和短穩(wěn)。
圖2 晶振輸出頻率隨時間變化的示意圖
曲線1是用0.1秒測量一次的情況，表現(xiàn)了晶振的短穩(wěn)；曲線3是用100秒測量一次的情況，表現(xiàn)了晶振的漂移；曲線4 是用1天一次測量的情況。表現(xiàn)了晶振的老化。
頻率溫度穩(wěn)定度：在標稱電源和負載下，工作在規(guī)定溫度范圍內(nèi)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(wěn)定度(不帶隱含基準溫度)
ftref：頻率溫度穩(wěn)定度(帶隱含基準溫度)
fmax ：規(guī)定溫度范圍內(nèi)測得的最高頻率
fmin：規(guī)定溫度范圍內(nèi)測得的最低頻率
fref：規(guī)定基準溫度測得的頻率
說明：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較高。
開機特性（頻率穩(wěn)定預熱時間）：指開機后一段時間(如5分鐘)的頻率到開機后另一段時間(如1小時)的頻率的變化率。表示了晶振達到穩(wěn)定的速度。這指標對經(jīng)常開關的儀器如頻率計等很有用。
說明：在多數(shù)應用中，晶體振蕩器是長期加電的，然而在某些應用中晶體振蕩器需要頻繁的開機和關機，這時頻率穩(wěn)定預熱時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(wěn)定度≤±0.3ppm(-45℃～85℃)，采用OCXO作為本振，頻率穩(wěn)定預熱時間將不少于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，振蕩器頻率和時間之間的關系。這種長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(guī)定時限后的最大變化率（如±10ppb/天，加電72小時后），或規(guī)定的時限內(nèi)最大的總頻率變化（如：±1ppm/（第一年）和±5ppm/（十年））來表示。
晶體老化是因為在生產(chǎn)晶體的時候存在應力、污染物、殘留氣體、結構工藝缺陷等問題。應力要經(jīng)過一段時間的變化才能穩(wěn)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)過一段較長的時間才能逐漸穩(wěn)定，而且這種穩(wěn)定隨著溫度或工作狀態(tài)的變化會有反復——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、工作時間長的晶振比工作時間短的晶振、連續(xù)工作的晶振比斷續(xù)工作的晶振的老化率要好。
說明：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，因為即使在實驗室的條件下，溫度變化引起的頻率變化也將大大超過溫度補償晶體振蕩器每天的頻率老化，因此這個指標失去了實際的意義）。OCXO的頻率老化率為：±0.5ppb～±10ppb/天（加電72小時后），±30ppb～±2ppm（第一年），±0.3ppm～±3ppm（十年）。
短穩(wěn)：短期穩(wěn)定度，觀察的時間為1毫秒、10毫秒、100毫秒、1秒、10秒。
晶振的輸出頻率受到內(nèi)部電路的影響(晶體的Q值、元器件的噪音、電路的穩(wěn)定性、工作狀態(tài)等)而產(chǎn)生頻譜很寬的不穩(wěn)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(wěn)的情況(要有專用儀器測量)。
重現(xiàn)性：定義：晶振經(jīng)長時間工作穩(wěn)定后關機，停機一段時間t1(如24小時)，開機一段時間t2(如4小時)，測得頻率f1，再停機同一段時間t1，再開機同一段時間t2，測得頻率f2。重現(xiàn)性=(f2-f1)/f2。
頻率壓控范圍：將頻率控制電壓從基準電壓調(diào)到規(guī)定的終點電壓，晶體振蕩器頻率的最小峰值改變量。
說明：基準電壓為＋2.5V，規(guī)定終點電壓為＋0.5V和＋4.5V，壓控晶體振蕩器在＋0.5V頻率控制電壓時頻率改變量為-2ppm，在＋4.5V頻率控制電壓時頻率改變量為＋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，線性為+2.4%。
壓控頻率響應范圍：當調(diào)制頻率變化時，峰值頻偏與調(diào)制頻率之間的關系。通常用規(guī)定的調(diào)制頻率比規(guī)定的調(diào)制基準頻率低若干dB表示。
說明：VCXO頻率壓控范圍頻率響應為0～10kHz。
頻率壓控線性：與理想（直線）函數(shù)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(shù)表示整個范圍頻偏的可容許非線性度。
說明：典型的VCXO頻率壓控線性為：≤±10%，≤±20%。簡單的VCXO頻率壓控線性計算方法為(當頻率壓控極性為正極性時)：
頻率壓控線性＝±((fmax-fmin)/ f0)×100%
fmax：VCXO在最大壓控電壓時的輸出頻率
fmin：VCXO在最小壓控電壓時的輸出頻率
f0：壓控中心電壓頻率
單邊帶相位噪聲￡(f)：偏離載波f處，一個相位調(diào)制邊帶的功率密度與載波功率之比。
輸出波形：從大類來說，輸出波形可以分為方波和正弦波兩類。
方波主要用于數(shù)字通信系統(tǒng)時鐘上，對方波主要有輸出電平、占空比、上升/下降時間、驅動能力等幾個指標要求。
隨著科學技術的迅猛發(fā)展，通信、雷達和高速數(shù)傳等類似系統(tǒng)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。因為一個帶有寄生調(diào)幅及調(diào)相的載波信號（不干凈的信號）被載有信息的基帶信號調(diào)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(diào)制）會導致所傳輸?shù)男盘栙|(zhì)量及數(shù)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
根據(jù)晶振的功能和實現(xiàn)技術的不同，可以將晶振分為以下四類：
1) 恒溫晶體振蕩器(以下簡稱OCXO)
這類型晶振對溫度穩(wěn)定性的解決方案采用了恒溫槽技術，將晶體置于恒溫槽內(nèi)，通過設置恒溫工作點，使槽體保持恒溫狀態(tài)，在一定范圍內(nèi)不受外界溫度影響，達到穩(wěn)定輸出頻率的效果。這類晶振主要用于各種類型的通信設備，包括交換機、SDH傳輸設備、移動通信直放機、GPS接收機、電臺、數(shù)字電視及軍工設備等領域。根據(jù)用戶需要，該類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
OCXO的主要優(yōu)點是，由于采用了恒溫槽技術，頻率溫度特性在所有類型晶振中是最好的，由于電路設計精密，其短穩(wěn)和相位噪聲都較好。主要缺點是功耗大、體積大，需要5分鐘左右的加熱時間才能正常工作等。
2) 溫度補償晶體振蕩器(以下簡稱TCXO)。
其對溫度穩(wěn)定性的解決方案采用了一些溫度補償手段，主要原理是通過感應環(huán)境溫度，將溫度信息做適當變換后控制晶振的輸出頻率，達到穩(wěn)定輸出頻率的效果。傳統(tǒng)的TCXO是采用模擬器件進行補償，隨著補償技術的發(fā)展，很多數(shù)字化補償大TCXO開始出現(xiàn)，這種數(shù)字化補償?shù)腡CXO又叫DTCXO，用單片機進行補償時我們稱之為MCXO，由于采用了數(shù)字化技術，這一類型的晶振再溫度特性上達到了很高的精度，并且能夠適應更寬的工作溫度范圍，主要應用于軍工領域和使用環(huán)境惡劣的場合。在廣大研發(fā)人員的共同努力下，我公司自主開發(fā)出了高精度的MCXO，其設計原理和在世界范圍都是領先的，配以高度自動化的生產(chǎn)測試系統(tǒng)，其月產(chǎn)可以達到5000只，其設計原理如圖4。
圖4 MCXO數(shù)字溫補晶振原理框圖
3) 普通晶體振蕩器(SPXO)。這是一種簡單的晶體振蕩器，通常稱為鐘振，其工作原理為圖3中去除“壓控”、“溫度補償”和“AGC”部分,完全是由晶體的自由振蕩完成。這類晶振主要應用于穩(wěn)定度要求不高的場合。
4) 壓控晶體振蕩器(VCXO)。這是根據(jù)晶振是否帶壓控功能來分類，帶壓控輸入引腳的一類晶振叫VCXO，以上三種類型的晶振都可以帶壓控端口。
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