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

•更高的电容比（振荡器电抗变化的Δf更小）

•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