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探索石英晶振的靜態(tài)狀況與溫度系數(shù)
石英晶振單元的共振頻率隨溫度變化,在TCXO晶振中,來自溫度傳感器所傳輸?shù)男盘?hào)用于產(chǎn)生校正電壓,該校正電壓施加到石英晶體網(wǎng)絡(luò)中的電壓可變電抗,電抗變化產(chǎn)生的頻率波動(dòng)變化與溫度變化引起的頻率變化相等且相反,對(duì)于-55°C至+ 85°C的工作溫度范圍,良好的TCXO晶振可具有±1ppm的精度穩(wěn)定性.而這個(gè)頻率的精度范圍足以說明信號(hào)的溫度穩(wěn)定性.
頻率標(biāo)準(zhǔn)中使用的晶體的典型頻率與溫度(f與T)特性如圖1所示,基于處理晶體單元f與T特性的方法,三類石英晶體振蕩器為XO,TCXO和OCXO,(見圖2).簡(jiǎn)單的XO不包含降低晶體f與T變化的方法,對(duì)于-55°C至+ 85°C的溫度范圍,典型的XO的f對(duì)T穩(wěn)定性可以是±25ppm,在OCXO中,振蕩器電路的晶體單元和其他溫度敏感元件在烘箱中保持恒定溫度,制造的晶體具有f對(duì)T特性,其在烘箱溫度下具有零斜率.
為了在整個(gè)OCXO晶振的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的烘箱溫度(沒有內(nèi)部冷卻裝置),烘箱溫度選擇為高于OCXO的最高工作溫度。與晶體的f與T變化相比,OCXO可提供超過1000倍的改進(jìn),對(duì)于-55°C至+ 85°C的溫度范圍,良好的OCXO可具有優(yōu)于±5x10-9的f對(duì)T穩(wěn)定性,OCXO比TCXO需要更多功率,更大,成本更高,補(bǔ)償振蕩器的一個(gè)特例是微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器(MCXO),MCXO克服了限制TCXO可達(dá)到的穩(wěn)定性的兩個(gè)主要因素:測(cè)溫和晶體單元的穩(wěn)定性.
作為溫度對(duì)頻率穩(wěn)定性的影響的說明,圖3顯示了溫度對(duì)典型石英手表精度的影響。在手腕溫度附近,手表可以非常準(zhǔn)確,因?yàn)?/span>石英晶體的頻率(即時(shí)鐘頻率)隨溫度變化很小,但是,當(dāng)手表冷卻至-55°C或加熱至+100°C時(shí),每天損失約20秒,因?yàn)槭⒈碇惺褂玫囊舨婢w的典型頻率溫度系數(shù)為-0.035 ppm /°C2,為了減少f與T的變化,MCXO使用數(shù)字補(bǔ)償技術(shù):在一個(gè)實(shí)現(xiàn)中刪除脈沖,在另一個(gè)實(shí)現(xiàn)中直接數(shù)字合成補(bǔ)償頻率,晶體的頻率不是"拉",這允許使用高穩(wěn)定性(小C1)SC切割晶體單元.
晶體單元的靜態(tài)f對(duì)T特性主要由晶體板相對(duì)于石英晶振軸的切割角度確定,"靜態(tài)"意味著溫度變化的速度足夠慢,溫度梯度的影響可以忽略不計(jì),作為圖1示出了用于AT切割,在切割的角度的微小變化可以顯著改變的F對(duì)比T特性,通過改變切割角度,可以在很寬的范圍內(nèi)改變零溫度系數(shù)點(diǎn)"轉(zhuǎn)換點(diǎn)",SC切割晶體的f與T特性類似于圖1中所示的曲線,具有拐點(diǎn)溫度(Ti)轉(zhuǎn)移到約95°C,Ti的確切值取決于諧振器的設(shè)計(jì).
影響振蕩器的一個(gè)重要因素是負(fù)載電容,當(dāng)電容器與晶體電阻串聯(lián)連接時(shí),負(fù)載電容的溫度系數(shù)可以大大放大旋轉(zhuǎn).其他影響石英晶體振蕩器單元溫度特性的因素包括泛音,晶體板的幾何形狀,電極的大小,形狀,厚度,密度和應(yīng)力,驅(qū)動(dòng)方式,石英材料中的雜質(zhì)和應(yīng)變,安裝結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力,干擾模式,電離輻射,溫度變化率,歷史記載其中的因素對(duì)于OCXO晶振和TCXO晶振的行為更為重要.