超過十億即每年生產(chǎn)石英晶體振蕩器,石英晶振用于從廉價鐘表到無線電導(dǎo)航和航天器跟蹤系統(tǒng)的各種應(yīng)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(wěn)定性包括:老化,噪聲,頻率與溫度,預(yù)熱,加速效應(yīng),磁場效應(yīng),大氣壓力效應(yīng),輻射效應(yīng)以及各種效應(yīng)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(wěn)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(dāng)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(shù)為-0.035ppm/°C2.

圖1.手表精度受溫度影響.

晶體單元的靜態(tài)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(tài)"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(nèi)改變零溫度系數(shù)點."轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移到約95°C.(Ti的確切值取決于諧振器的設(shè)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(yīng)力;驅(qū)動水平;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(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(fā)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(shù)之間的差異.因此.當(dāng)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(diào)和近似線性函數(shù).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(dǎo)致"活動驟降"(見圖3).這可能導(dǎo)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(xiàn)異常.當(dāng)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(qū)動電平和負載電抗會對活動驟降產(chǎn)生很大影響.活性浸漬溫度是CL的函數(shù).因為干擾模式通常具有大的溫度系數(shù)和C1這與所需模式的不同.TCXO中的活動下降很麻煩.而且當(dāng)在爐溫下發(fā)生下降時.OCXO晶振也很麻煩.SC切割晶體中活性下降的發(fā)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(dāng)電容器與晶體串聯(lián)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(shù)可以大大放大旋轉(zhuǎn).

晶體的f對T可以用多項式函數(shù)來描述.立方函數(shù)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(shù)據(jù)擬合到±1x10-8.通常需要至少為七階的多項式.