超過十億即每年生產石英晶體振蕩器,石英晶振用于從廉價鐘表到無線電導航和航天器跟蹤系統的各種應用.回顧了石英振蕩器的基本原理,重點是石英頻率標準(與廉價的時鐘振蕩器相反).晶體諧振器和振蕩器,振蕩器類型,溫度補償晶體振蕩器(TCXO)和恒溫晶體振蕩器(OCXO)的特性和局限性.振蕩器不穩定性包括:老化,噪聲,頻率與溫度,預熱,加速效應,磁場效應,大氣壓力效應,輻射效應以及各種效應之間的相互作用.提供了振蕩器比較和選擇的指南.
作為溫度對頻率穩定性的影響的說明.圖1顯示了溫度對典型石英晶振手表精度的影響.在手腕溫度附近.手表可以非常準確.因為晶體的頻率(即時鐘頻率)隨溫度變化很小.但是.當手表冷卻至-55°C或加熱至+100°C時.每天損失約20秒.因為石英表中使用的音叉晶體的典型頻率溫度系數為-0.035ppm/°C2.
圖1.手表精度受溫度影響.
晶體單元的靜態f對T特性主要由晶體板相對于石英晶體諧振器軸的切割角度確定."靜態"意味著溫度變化的速度足夠慢.溫度梯度的影響(稍后解釋)可以忽略不計.作為示出了用于AT切割.在切割的角度的微小變化(在圖中7分鐘)可以顯著改變的F對比T特性.通過改變切割角度.可以在很寬的范圍內改變零溫度系數點."轉換點".SC切割晶體的f與T特性類似于所示的曲線.具有拐點溫度(Ti)轉移到約95°C.(Ti的確切值取決于諧振器的設計.)
其他影響晶體單元f與T特性的因素包括泛音;晶體板的幾何形狀;電極的尺寸.形狀.厚度.密度和應力;驅動水平;石英材料中的雜質和應變;安裝結構中的應力;干擾模式;電離輻射;溫度變化率(即熱梯度);和熱歷史.最后兩個因素對于理解OCXO和TCXO晶振的行為很重要.因此需要單獨討論.
圖2中的AT切割晶體說明了諧波(即"泛音")對f與T的影響.此效果對于理解MCXO的操作非常重要.MCXO包含一個SC切割諧振器和一個雙模振蕩器.它可以激發諧振器的基模和三次諧波.基模f與T和第三泛音f與T之間的差異幾乎完全是由于一階溫度系數之間的差異.因此.當從基模頻率的三倍中減去第三泛音頻率時.得到的"拍頻"是溫度的單調和近似線性函數.該拍頻使諧振器能夠感測其自身的溫度.
圖2.諧波對f與T的影響
干擾模式可能導致"活動驟降"(見圖3).這可能導致振蕩器故障.在活動傾角溫度附近.f與T和電阻(R)與T特性均出現異常.當電阻下降時電阻增加.并且振蕩器的增益裕度不足時.振蕩停止.晶體的驅動電平和負載電抗會對活動驟降產生很大影響.活性浸漬溫度是CL的函數.因為干擾模式通常具有大的溫度系數和C1這與所需模式的不同.TCXO中的活動下降很麻煩.而且當在爐溫下發生下降時.OCXO晶振也很麻煩.SC切割晶體中活性下降的發生率遠低于AT切割晶體.
圖3.有和沒有CL的頻率與溫度和電阻與溫度特性的活動下降.
影響石英晶體振蕩器的f與T特性的一個重要因素是負載電容.當電容器與晶體串聯連接時.組合的f對T特性略微偏離晶體的特性.負載電容的溫度系數可以大大放大旋轉.
晶體的f對T可以用多項式函數來描述.立方函數通常足以描述AT切割和SC切割石英晶振的f對T.精度為±1ppm.在MCXO中.為了使f對T數據擬合到±1x10-8.通常需要至少為七階的多項式.
