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是用來調(diào)節(jié)振蕩頻率，一般用變?nèi)荻O管加上不同的反偏電壓來實(shí)現(xiàn)，這也是壓控作用的機(jī)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(duì)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(jí))，Co不能忽略(1E-12量級(jí)，幾PF)。所以，Cv變大時(shí)，降 低槽路頻率的作用越來越小，Cv變小時(shí)，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(dǎo)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(biāo)

總頻差：在規(guī)定的時(shí)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(biāo)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(fù)載特性等共同造成的最大頻差。一般只在對(duì)短期頻率穩(wěn)定度關(guān)心，而對(duì)其他頻率穩(wěn)定度指標(biāo)不嚴(yán)格要求的場(chǎng)合采用。例如：精密制導(dǎo)雷達(dá)。

頻率穩(wěn)定度：任何晶振，頻率不穩(wěn)定是絕對(duì)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(shí)間變化的示意圖

曲線1是用0.1秒測(cè)量一次的情況，表現(xiàn)了晶振的短穩(wěn);曲線3是用100秒測(cè)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(cè)量的情況。表現(xiàn)了晶振的老化。

頻率溫度穩(wěn)定度：在標(biāo)稱電源和負(fù)載下，工作在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的不帶隱含基準(zhǔn)溫度或帶隱含基準(zhǔn)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(zhǔn)溫度)

ftref：頻率溫度穩(wěn)定度(帶隱含基準(zhǔn)溫度)

fmax ：規(guī)定溫度范圍內(nèi)測(cè)得的最高頻率

fmin：規(guī)定溫度范圍內(nèi)測(cè)得的最低頻率

fref：規(guī)定基準(zhǔn)溫度測(cè)得的頻率

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

開機(jī)特性(頻率穩(wěn)定預(yù)熱時(shí)間)：指開機(jī)后一段時(shí)間(如5分鐘)的頻率到開機(jī)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(dá)到穩(wěn)定的速度。這指標(biāo)對(duì)經(jīng)常開關(guān)的儀器如頻率計(jì)等很有用。

說明：在多數(shù)應(yīng)用中，晶體振蕩器是長(zhǎng)期加電的，然而在某些應(yīng)用中晶體振蕩器需要頻繁的開機(jī)和關(guān)機(jī)，這時(shí)頻率穩(wěn)定預(yù)熱時(shí)間指標(biāo)需要被考慮到(尤其是 對(duì)于在苛刻環(huán)境中使用的軍用通訊電臺(tái)，當(dāng)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(yù)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(cè)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(zhǎng)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(shí)限后的最大變化率(如±10ppb/天，加電72小時(shí)后)，或規(guī)定的時(shí)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?yàn)樵谏a(chǎn)晶體的時(shí)候存在應(yīng)力、污染物、殘留氣體、結(jié)構(gòu)工藝缺陷等問題。應(yīng)力要經(jīng)過一段時(shí)間的變化才能穩(wěn)定，一種叫“應(yīng)力補(bǔ)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)過一段較長(zhǎng)的時(shí)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(huì)有反復(fù)——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(zhǎng)的晶 振比工作時(shí)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(biāo)，因?yàn)榧词乖趯?shí)驗(yàn)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(bǔ)償晶體振蕩器每天的頻率老化，因此這個(gè)指標(biāo)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(wěn)：短期穩(wěn)定度，觀察的時(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(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(cè)量一連串的頻率值后，用阿倫方程計(jì)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(cè)量)。

重現(xiàn)性：定義：晶振經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定后關(guān)機(jī)，停機(jī)一段時(shí)間t1(如24小時(shí))，開機(jī)一段時(shí)間t2(如4小時(shí))，測(cè)得頻率f1，再停機(jī)同一段時(shí)間t1，再開機(jī)同一段時(shí)間t2，測(cè)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(zhǔn)電壓調(diào)到規(guī)定的終點(diǎn)電壓，晶體振蕩器頻率的最小峰值改變量。

說明：基準(zhǔn)電壓為+2.5V，規(guī)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，線性為+ 2.4%。

壓控頻率響應(yīng)范圍：當(dāng)調(diào)制頻率變化時(shí)，峰值頻偏與調(diào)制頻率之間的關(guān)系。通常用規(guī)定的調(diào)制頻率比規(guī)定的調(diào)制基準(zhǔn)頻率低若干dB表示。

說明：VCXO頻率壓控范圍頻率響應(yīng)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?jǐn)?shù)表示整個(gè)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(jiǎn)單的VCXO頻率壓控線性計(jì)算方法為(當(dāng)頻率壓控極性為正極性時(shí))：

頻率壓控線性=±((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(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(shí)鐘上，對(duì)方波主要有輸出電平、占空比、上升/下降時(shí)間、驅(qū)動(dòng)能力等幾個(gè)指標(biāo)要求。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，通信、雷達(dá)和高速數(shù)傳等類似系統(tǒng)中，需要高質(zhì)量的信號(hào)源作為日趨復(fù)雜的基帶信息的載波。因?yàn)橐粋€(gè)帶有寄生調(diào)幅及調(diào)相的載 波信號(hào)(不干凈的信號(hào))被載有信息的基帶信號(hào)調(diào)制后，這些理想狀態(tài)下不應(yīng)存在的頻譜成份(載波中的寄生調(diào)制)會(huì)導(dǎo)致所傳輸?shù)男盘?hào)質(zhì)量及數(shù)傳誤碼率明顯變 壞。所以作為所傳輸信號(hào)的載體，載波信號(hào)的干凈程度(頻譜純度)對(duì)通信質(zhì)量有著直接的影響。對(duì)于正弦波，通常需要提供例如諧波、噪聲和輸出功率等指標(biāo)。

晶振的分類

根據(jù)晶振的功能和實(shí)現(xiàn)技術(shù)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(jiǎn)稱OCXO)

這類型晶振對(duì)溫度穩(wěn)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(nèi)，通過設(shè)置恒溫工作點(diǎn)，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(dá)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(shè)備，包括交換機(jī)、SDH傳輸設(shè)備、移動(dòng)通信直放機(jī)、GPS接收機(jī)、電臺(tái)、數(shù)字電視及軍工設(shè) 備等領(lǐng)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