頻率元器件石英晶體振蕩器電路通過(guò)從石英諧振器獲取電壓信號(hào),放大并反饋給諧振器來(lái)維持振蕩.石英的膨脹和收縮速率是共振頻率,由晶體的切割和尺寸決定.當(dāng)產(chǎn)生的輸出頻率的能量與電路中的損耗匹配時(shí),振蕩可以持續(xù).下面龍湖電子將介紹關(guān)于石英晶體振蕩器的電路.

振蕩器晶體有兩塊導(dǎo)電板,中間夾著一塊石英晶體片或音叉.在啟動(dòng)過(guò)程中,控制電路將晶體置于不穩(wěn)定的平衡狀態(tài),由于系統(tǒng)中的正反饋,任何微小的噪聲都會(huì)被放大,從而加劇振蕩.石英晶體諧振器在這個(gè)系統(tǒng)中也可以被看作是一個(gè)高頻率選擇性濾波器:它只通過(guò)諧振頻率附近的一個(gè)非常窄的子帶,衰減所有其他的頻率.最終,只有共振頻率是活躍的.當(dāng)振蕩器放大來(lái)自晶體的信號(hào)時(shí),晶體頻帶中的信號(hào)變得更強(qiáng),最終控制振蕩器的輸出.石英晶體的窄共振帶濾除了所有不想要的頻率.

石英晶體振蕩器的輸出頻率可以是基波諧振頻率,也可以是該諧振頻率的倍數(shù),稱為諧波頻率.諧波是基頻的精確整數(shù)倍.但是,像許多其他機(jī)械諧振器一樣,晶體表現(xiàn)出幾種振蕩模式,通常是基頻的奇整數(shù)倍.這些被稱為"泛音模式",振蕩器電路可以用來(lái)激勵(lì)它們.泛音模式的頻率近似,但不是基模頻率的奇整數(shù)倍,因此泛音頻率不是基模的精確諧波.

高頻晶體通常被設(shè)計(jì)成在第三,第五或第七泛音下工作.制造商很難生產(chǎn)薄到足以產(chǎn)生30MHz以上基頻的晶體.為了產(chǎn)生更高的頻率,制造商制造泛音晶體,調(diào)諧到將第三,第五或第七泛音置于所需頻率,因?yàn)樗鼈儽犬a(chǎn)生相同頻率的基本晶體更厚,因此更容易制造——盡管激發(fā)所需泛音頻率需要稍微復(fù)雜一點(diǎn)的振蕩器電路.基本晶體振蕩器電路比第三泛音電路更簡(jiǎn)單,更有效,并且具有更大的可拉性.根據(jù)晶振制造商的不同,最高可用基頻可能為25MHz至66MHz.

晶體振蕩器廣泛使用的一個(gè)主要原因是它們的高品質(zhì)因數(shù).石英振蕩器的典型品質(zhì)因數(shù)范圍為10至10,而液晶振蕩器的品質(zhì)因數(shù)可能為102.高穩(wěn)定性石英振蕩器的最大品質(zhì)因數(shù)可以估計(jì)為品質(zhì)因數(shù)=1.6×10/f,其中f是諧振頻率,單位為兆赫.

石英晶體振蕩器最重要的特征之一是它們可以表現(xiàn)出非常低的相位噪聲.在許多振蕩器中,諧振頻率下的任何頻譜能量都被振蕩器放大,導(dǎo)致不同相位的音調(diào)集合.在晶體振蕩器中,晶體主要在一個(gè)軸上振動(dòng),因此只有一個(gè)相位占優(yōu)勢(shì).這種低相位噪聲的特性使得它們?cè)谛枰€(wěn)定信號(hào)的電信和需要非常精確時(shí)間基準(zhǔn)的科學(xué)設(shè)備中特別有用.

溫度,濕度,壓力和振動(dòng)的環(huán)境變化可以改變石英晶體的共振頻率,但是有幾種設(shè)計(jì)可以減少這些環(huán)境影響.這些包括溫補(bǔ)晶振,麥克索和OCXO,定義如下.這些設(shè)計(jì),尤其是OCXO晶振,經(jīng)常生產(chǎn)出短期穩(wěn)定性極好的器件.短期穩(wěn)定性的限制主要是由于振蕩器電路中電子元件的噪聲.晶體老化限制了長(zhǎng)期穩(wěn)定性.

由于老化和環(huán)境因素(如溫度和振動(dòng)),如果不不斷調(diào)整,很難將最好的石英振蕩器保持在其標(biāo)稱頻率的1010分之一以內(nèi).因此,原子振蕩器用于需要更好長(zhǎng)期穩(wěn)定性和精度的應(yīng)用.

雜散頻率

對(duì)于在串聯(lián)諧振下工作的晶體或通過(guò)包含串聯(lián)電感或電容而遠(yuǎn)離主模式的晶體,可能會(huì)出現(xiàn)顯著的(與溫度相關(guān)的)雜散響應(yīng).雖然大多數(shù)雜散模式通常比所需串聯(lián)諧振高幾十千赫,但它們的溫度系數(shù)不同于主模式,雜散響應(yīng)可能在特定溫度下通過(guò)主模式.即使寄生諧振下的串聯(lián)電阻看起來(lái)高于所需頻率下的串聯(lián)電阻,當(dāng)兩個(gè)頻率重合時(shí),主模式串聯(lián)電阻也會(huì)在特定溫度下發(fā)生快速變化.這些活動(dòng)驟降的結(jié)果是石英晶體振蕩器在特定溫度下可能鎖定在雜散頻率.這通常通過(guò)確保維持電路沒(méi)有足夠的增益來(lái)激活不需要的模式來(lái)最小化.

寄生頻率也是通過(guò)使晶體經(jīng)受振動(dòng)而產(chǎn)生的.這通過(guò)振動(dòng)的頻率在很小程度上調(diào)節(jié)諧振頻率.SC切割晶體旨在將安裝應(yīng)力的頻率效應(yīng)降至最低,因此對(duì)振動(dòng)不太敏感.SC切割晶體的加速效應(yīng)(包括重力)也會(huì)降低,因?yàn)殚L(zhǎng)期安裝應(yīng)力變化會(huì)導(dǎo)致頻率隨時(shí)間變化.SC切割剪切模式晶體存在缺點(diǎn),例如需要維持振蕩器來(lái)區(qū)別其他密切相關(guān)的不需要的模式,并且當(dāng)受到全模式時(shí)由于溫度而增加頻率變化

環(huán)境范圍.當(dāng)溫度控制在零溫度系數(shù)(周轉(zhuǎn)率)時(shí),SC切割晶體最為有利,在這種情況下,優(yōu)質(zhì)單元的整體穩(wěn)定性性能可以接近銣頻標(biāo)的穩(wěn)定性.