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天奥摘要

本期天奥专题将为大家详细介绍【石英晶体谐振器和振荡器】。

1、石英晶体在电子学上的应用情况

2、石英晶体谐振器

2.1 石英的特性

石英是具有以下一系列特性的唯一材料：

压电特性（“压力—电的特性”）

具有零温度系数切型

具有应力补偿切型

低损耗（即高Q 值）

容易加工。在任何物质中的可溶性低，除了氟化物的腐蚀外，在“正常”条件下，坚硬而不易碎

在自然界中很丰富，易于大量生长，成本低，纯度和完整性均较高。在人工生长的单晶石英中，年产量在3000吨以上，生长数量仅次于硅。

在理想的谐振器中，振动幅度在电极表面呈指数衰减。在经过适当设计的谐振器中，振动能量可以忽略不计，不再受装架和焊接结构的影响，即边缘必须固定不动，以便谐振器能够具有高Q值。谐振器表面点的位移是与激励电流成正比的。在厚度剪切谐振器（10MHz）中所使用的典型激励电流，最大位移只有几个原子的间距。

2.3 石英谐振器的泛音响应

上图显示了石英谐振器的模态谱，包括基模、三次泛音、5 次泛音和一些乱真信号响应，即寄生模。在振荡器应用上，振荡器总是选择最强的模式工作。一些干扰模式有急剧升降的频率——温度特性。有时候，当温度发生改变，在一定温度下，寄生模的频率与振荡频率一致，这导致了“活动性下降”。在活动性下降时，寄生模的激励引起谐振器的额外能量的消耗，导致Q 值的减小、等效串联电阻增大及振荡器频率的改变。当阻抗增加到相当大的时候，振荡器就会停止振荡，即振荡器失效。当温度改变远离活动性下降的温度时，振荡器又会重新振荡。

2.4 石英晶体谐振器的切型

2.5 石英晶体谐振器的温度特性

2.6 SC 切与AT 切的比较

【SC 切的优点】

瞬时热补偿（可以使OCXO预热较快）

静态和动态的频率温度特性使OCXO 和MCXO 的稳定度较高

活动性下降要小得多，激励电平灵敏度较低

平面应力补偿，棱边应力和弯曲引起的△f 较低。

对辐射的灵敏度较低

电容比较高（对振荡器电抗变化引起的△f 较小）

形状相似的基模谐振器的Q值较高

对片子形状的灵敏度较小，这就能够使用宽范围的曲面外形

【SC 切的缺点】

较难用于TCXO 的制作

【其他的明显不同点】

在SC 切中的B 模被激励，振荡电路需要增加模式抑制选择电路，复杂度更高。

SC 切对电场敏感（能够用于补偿）

2.7 谐振器的封装

2.8 谐振器的等效电路

2.9 谐振器的电抗 - 频率特性

2.10 老化

典型老化特性

老化可能是正的或者负的。有时，能观察到老化方向的改变。上面的曲线表明，有三种类型的老化特性。表示反向的曲线是其它两条曲线之和。最简单的老化模型显示，不同的方向和衰减时间有至少两种老化机理存在。

【老化机理】

杂质引起的物质运动

谐振器中应力的消除：安装和焊接

结构、电极和石英中的缺陷

扩散效应

化学反应

其它影响

谐振器密封盒中压力变化（漏气和除气）

振荡器电路老化（负载电抗和激励电平变化）

电场变化（仅双旋晶体）

恒温控制电路老化

3、晶振的定义和分类

上图是经过简化的电路图，表明了石英晶体振荡器的基本组成元件。石英晶体振荡器中的放大器由至少一个驱动设备，偏压电阻并且可能包含其他用来调节带宽、阻抗匹配和增益控制的元件组成。反馈网络由石英晶体谐振器和其他元件比如用来协调的可变电容等组成。

3.1 晶振类型

（1）普通晶体振荡器（XO）：最简单和最适用的、其基本控制元件为晶体元件的振荡器。由于不采用温度控制和温度补偿方式，它的频率－温度特性主要由所采用的晶体元件来确定。

（2）电压控制晶体振荡器（VCXO）：用外加控制电压调节其频率输出的晶体振荡器。VCXO的频率－温度特性类似于XO，主要由所采用的晶体元件来确定。

（3）温度补偿晶体振荡器（TCXO）：器件内部采用模拟补偿网络或数字补偿方式，来自温度传感器（热敏电阻）的输出信号被用来产生校正电压，加在晶体网络中的变容二极管上，以晶体负载电抗的变化补偿晶体的频率温度特性。

（4）恒温控制晶体振荡器（OCXO）：至少是将晶体元件置于隔热罩里（如恒温槽）控制其温度，以使晶体温度基本维持不变的晶体振荡器。

（5）电压控制－温补晶体振荡器（VCTCXO）：温度补偿晶体振荡器和电压控制晶体振荡器结合。

（6）电压控制－恒温晶体振荡器（VCOCXO）：恒温晶体振荡器和电压控制晶体振荡器结合。

3.2 振荡器的等级

3.3 振荡器电路类型

在许多振荡器电路中，有三种常用的振荡器电路，它们是皮尔斯振荡、考毕兹振荡电路和克拉普振荡电路。这些振荡电路除了频射接地点位置不同外，电路的构成都是相同的。布特勒（BUTLER）和改进的布特勒振荡电路也是彼此相似的。门电路振荡器一般是皮尔斯型的，它使用了一个逻辑门并在皮尔斯振荡器的晶体管位置加了一个电阻（某些门电路振荡器使用一个以上的门电路）。

4、温度补偿晶体振荡器

温补晶振振荡器主要是通过产生一个随温度变化的量值，来对晶体随温度变化产生的频率偏移进行补偿。

4.1 模拟温度补偿

采用模拟电阻网络输出一个随温度变化的电压量，该电压直接影响于晶振输出频率，从而达到补偿的目的。

4.2 微机温度补偿

采用单片机、PLL、温度传感器、D/A、A/D等元器件实现对晶振输出频率的补偿。

5、恒温晶体振荡器

5.1 恒温振荡器的组成

一般恒温晶体振荡器都包括以下几个基本组成部分：

石英谐振器：目前恒温晶体振荡器中常用的石英谐振器有AT切和SC切两种。

振荡电路：恒温晶体振荡器要求频率稳定度高，除了在控温电路方面要达到一定的控温精度外，振荡电路本身的稳定性也是起决定性作用的。

结构完善、温控良好的恒温装置：由恒温槽，温度控制电路及其它辅助装置组成的恒温系统。在晶体振荡器中，用来使石英谐振器和有关电路元件保持恒温。

5.2 振荡器的输出

大多数用户要求正弦波输出，或者TTL 电平输出，或者CMOS电平输出，或者ECL电平输出。

5.3 短期稳定度（噪声）

理想的振荡器的输出电压为正弦曲线。实际的振荡器输出电压由于噪声的影响是偏移的正弦曲线。

5.4 振荡器噪声的影响

限制确定精密振荡器的现行工作状态并对其预测的能力；

限制谐振和同步的精确度；

限制接收机的有效动态范围、信道间隔和选择性；

限制雷达的性能（特别是多普勒雷达）；

引起定时误差；

在数字通信系统中引起比特误差；

限制通信系统的使用数，如传送者的噪声能干扰附近频道的接受者；

限制导航精确度；

限制锁定在窄线宽谐振上的能力；

能引起失锁，能限制锁相环系统的俘获—反俘获能力。

5.5 振荡器短期不稳定的原因

热噪声（热引起的电荷波动，例如，阻抗元件中的“热电势”）；

缺陷和量子波动引起的声子散射（与谐振器Q 相关）；

振荡器电路（有源和无源元件）引起的噪声；

温度波动—热瞬变效应—在恒温槽设置点上活动性下降；

随机振动；

吸附的分子数的变化；

连接面（石英、电极、装架、粘合剂）应力的消除、波动。

双采样方差或阿仑方差的平方根，是用时域法描述振荡器短期稳定度的标准方法。一般用下式来表示：

5.6.2 ‍相位噪声

相位噪声是用频域法描述振荡器短期稳定度的标准方法。

5.7 频率温度特性

5.7.1 OCXO 恒温槽对稳定度的影响

5.7.2 影响稳定度的其他因素

电场：对双旋谐振器有影响，如加在5MHz 基频SC 切谐振器电极上的电压为Δf / f ＝7×10-9/V。

磁场：石英是抗磁性体，但是磁场能够引起涡流，并影响谐振器壳内的磁性材料和振荡器电路。感应的交流电压能够影响变容二极管、AGC 电路和电源。

环境压力：谐振器和振荡器外壳的变形和散热条件的变化都会影响频率。

湿度能够影响振荡器电路和振荡器的热性能，即元件吸收湿气从而影响介电常数。

电源电压和负载阻抗影响振荡器电路，从而直接影响振荡器的激励电平和负载阻抗。负载阻抗的变化可以改变反射回振荡器回路的信号幅度或相位，从而改变振荡的相位（和频率）。这些影响可以通过稳压、缓冲放大等办法减至最小。

5.8 晶振的主要技术参数

★频率准确度：在标称电压、标称负载阻抗、基准温度（25±2℃）以及其他条件保持不变，晶振的频率相对与其规定标称值的最大允许偏差；

★温度稳定度：其他条件不变，在规定温度范围内晶振输出频率的最大变化量相对于温度范围内输出频率极值之和的允许频偏值，即（fmax-fmin）/（fmax+fmin）；

★频率调节范围：通过调节晶振的某可变元件改变输出频率的范围。其作用是：

①将输出频率调节到该频率范围内的某一预定值；

②由于老化或其他原因，晶振输出频率产生偏移，将输出频率调到规定值。

★调频（压控）特性：包括调频频偏、调频灵敏度、调频线性度。

①调频频偏：压控晶振控制电压由标称的最大值变化到最小值时输出频率差。

②调频灵敏度：压控晶振变化单位外加控制电压所引起的输出频率的变化量。

③调频线性度：是一种与理想直线（最小二乘法）相比较的调制系统传输特性的量度，通常是以在规定范围内偏离理想直线的百分数表示 。

★负载特性：其他条件保持不变，负载在规定变化范围内晶体振荡器输出频率相对于标称负载下的输出频率的最大允许频偏。

★电压特性：其他条件保持不变，电源电压在规定变化范围内晶体振荡器输出频率相对于标称电源电压下的输出频率的最大允许频偏。

★杂波：输出信号中与主频无谐波（副谐波除外）关系的离散频谱分量与主频的功率比，用dBc表示。

★谐波：谐波分量功率Pi与载波功率P0之比，用dBc表示。

★频率老化：在规定的环境条件下，由于元件（主要是石英谐振器）老化而引起的输出频率随时间的系统漂移过程。通常用某一时间间隔内的频差来量度。对于高稳定晶振，由于输出频率在较长的工作时间内呈近似线性的单方向漂移，往往用老化率（单位时间内的相对频率变化）来量度。如：10-8/日或10-6/年等。

★日波动：指振荡器经过规定的预热时间后，每隔一小时测量一次，连续测量24小时，将测试数据按S=（fmax-fmin）/f0式计算，得到日波动。

★开机特性：在规定的预热时间内，振荡器频率值的最大变化，用V=（fmax-fmin）/f0表示。

★相位噪声：短期稳定度的频域量度。

★阿仑方差：短期稳定度的时域量度。

★基本参数：输出波形（sine、TTL、CMOS、ECL等）、输出功率等等。

天奥电子·公司简介

成都天奥电子股份有限公司作为国内领先的时间频率企业，拥有完整的时间频率产品线，可为客户提供完善的时频解决方案。主要产品包括原子钟、晶体器件、时频板卡及模块、频率组件及设备、时间同步设备及系统，大量应用于航空航天、卫星导航、军民用通信及国防装备等领域，参加了载人航天、探月工程、北斗卫星导航系统等国家重大工程。

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原创编辑：天奥电子·器件事业部

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