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晶体振荡器特点

 
  
  
 
晶体振荡器特点
z  在振荡频率上,闭合回路的相移为 2nπ。
z  当开始加电时,电路中唯壹的信号是噪声。满足振荡相位条件的频率噪声分量以增
大的幅度在回路中传输,增大的速率由附加分量,即小信号,回路益增和晶体网络
的带宽决定。
z  幅度继续增大,直到放大器增益因有源器件(自限幅)的非线性而减小或者由于某
一自动电平控制而被减小。
z  在稳定状态下,闭合回路的增益为 1。
 振荡与稳定度
z  如果产生相位波动 ϕ Δ ,频率必然产生偏移 f Δ ,以维持 π n 2 的相位条件。对于串
联谐振振荡器, L Q ff 2// ϕ Δ − =Δ , 是网络中晶体的负载值Q值。“相位斜
率”
L Q
dfd / ϕ 是与靠近串联谐振频率的 成正比的(见第三部分“等效电路”和
“频率与电抗的关系”)。
L Q
z  大多数振荡器均工作在“并联谐振”上,电抗与频率斜率的关系 ,即“逆
电容”是与晶体器件的动态电容 C1成反比的。
dfdx /
z  相对于振荡回路中的相位(电抗)波动的*高频率稳定度来说,相位斜率(或电抗
斜率)必须*大,即 C1 应当*小,而 应当*大。石英晶体器件的高 值和高
的逆电容,决定振荡器元件的基本频率(或频率稳定度)。
L Q Q
 
可调性和稳定度
要使振荡器谐调在宽的频率范围内,就会降低其稳定度,因为要使振荡器按要求进行调
谐,同时也会使振荡器容易受不合要求的调谐因素影响。调谐范围越宽,就越难以保持高的
稳定度。例如,如果设计 OCXO 的短期稳定度在某一平均时间为 1×10-12,而可调性为 1
×10-7,则晶体的负载电抗在上述平均时间必须稳定在上 1×10-5。要获得这样的稳定度使
困难的,因为影响负载电抗的因素有:寄生电容和电感、变容二极管的电容与电压特性的稳
定度,以及加在变容二极管上的电压的稳定度。此外,1×10-5 的负载电抗稳定度不仅必须
在开始条件下保持,而且在环境条件(温度、振动、辐射等)变化时,也必须保持。
同时,高稳定度 10 MHz 的恒温压控晶振的频率调整范围为 5×10-7,老化率为 2×
10-8/y,而宽调谐范围的 10 MHz 压控晶振的调谐范围为 50 ppm,老化率为 2 ppm/y。 
 
 
 

每一种 OCXO 都主要由三部分组成,即石英晶体,持续电路和恒温,他们都会引起不
稳定。不同情况下的不稳定将会在第 3 章余下的部分和第 4 章中讨论
振荡器的不稳定性——通常表达式 
  
这里的QL是谐振器受到的载荷Q,dφ(ff)是在闭合电路发生小变化后,远离信号频率f的
偏移频率ff相位。系统的相位变化和闭合电路中的相位噪声来自于谐振器或持续电路。取QL
的*大值能有效减小噪声的影响和由于环境引起的持续电子装置的改变。在一个实际的振荡
器设计中,谐振器在偏移频率影响下的短期不稳定性比谐振器的半带宽要小,且由于持续电
路和从闭合电路中大量能量的的传送会引起更大的偏移。
 
持续电路引起的不稳定性
负载电抗变化—增加一个负载电容到晶体上来改变频率,设
例如:如果 C0=5pF,C1=14pF,CL=20pF,则△CL=10pF(=5×10-4)引起约 1×10-7 频
率变化,而 CL 老化率是每天 10ppm使得振荡器的老化率为每天 2 X 10-9
激励电平变化:对于 10MHz 的3 次泛音 SC 切,一般每毫安平方 10-8。
晶体的直流偏压也能引起振荡器的老化。
 
调谐电路引起的不稳定性
许多振荡器包含调谐电路比如匹配电路和滤波器,为了防止不必要的模式。在调谐电路
里的感应系数和电容量在小变化后的影响由下给出 
 
 
 
这里的 BW式滤波器的带宽,ff是滤波器相对于中心频率的偏移频率,QL 是谐振器上
的载荷 Q,QC,LC 和 CC 分别是调谐电路的 Q值,感应系数和电容量。
 
电路噪声引起的不稳定性
由持续电路中闪变 PM噪声  引起的闪变 FM,对振荡器的输出频率有着一定的影响

这里的ff是载波频率f的偏移频率,QL是振荡器电路上的载荷Q,Lckt(1HZ)是f=1HZ时的
闪变 PM  噪声,τ  时任意测量时间内的闪变基底范围。对于QL=106 和Lckt(1HZ)=
-140dBc/Hz,σy(τ) = 8.3 x 10-14。 ( Lckt (1Hz) = -155dBc/Hz 已经能够实现.)
 
外载荷引起的不稳定性
如果外载荷发生变化,反射回振荡器的电波振幅或相位也会随着改变。到达振荡回路的
一部分信号改变了振荡器的相位,因此频率变成:

这里 Γ 是载荷的电压驻波,θ 是反射波的相位角。
 
 振荡器的输出
大多数用户要求正弦波输出,或者 TTL 兼容,或者 CMOS兼容,或者 ECL 兼容输出。
后三种输出都可以正弦波产生。现在对 4 中输出类型说明如下。虚线表示输入电压,实线表
示输出。对于正弦波振荡器来说,对于正弦波振荡器没有“标准的”输入电压。CMOS 的
输入电压一般为 1~10V。
 
 
振荡器的温度自测
 
fβ 是振荡器正在振荡时的振荡器温度,因此除了振荡还要消除温度计的需要。因为 SC
切型时热瞬时补偿,由于受到温度和振荡下的温度梯度的影响,热瞬时效应也被消除。 
热拍频率的产生
低通滤波器
X3 
增加器
M=1
M=3
f1
f3
双模式振荡器
fβ = 3f1 - f3
混频器
 
微机补偿石英振荡器使用高稳定性的 10MHz Sc切型石英晶体谐振器和双模振荡器,这
能同时激发谐振器的和 3 次泛音模式。拍频率可以是基频模式乘 3 然后减去 3 次泛音频率,
如图所显,或者 3 次泛音频率除 3,这样得到拍频率 fβ = f1 - f3/3。如前图所式,拍频率是
单调的并且几乎是温度的线性函数。它提供了一个高精度,数字显示的振动范围的温度,因
此就不需要外加的温度计。
 
微机补偿晶体振荡器
 
微机补偿晶体振荡器频率相加方法
结构图
 
在频率叠加方法中,直接数字频率合成器(DDS)基于 N2 产生一个校正频率 fd,从而
在所有温度情况下 f3 + fd = 10MHz。相位锁定回路把电压控制晶体振荡器的频率**的控
制在 10MHz。
在“频率模式”中,1PPS的输出是从 10MHz 除以一些数得到的。在能量守恒的“调速
方式”中,1PPS 是直接从 f3 驱动直接数字频率合成器,并通过使用不同的校正公式产生的。
锁相环和一部分数字电路被关闭。在校正的同时,微处理器准备“休眠”,并且定时被延长
来减少能量的需求。
 
微机补偿晶体振荡器——脉冲消除方法
 在脉冲消除方法中,SC 切型的谐振器频率要稍微高于输出频率 f0。比如,如果 f0 为
10MHz,则 SC 切型谐振器的频率在设计的温度范围内都要略高于 10MHz。双模振荡器提
供两种输出信号,其中之一 fβ 为谐振器的温度指标。信号均由微机进行处理,它根据 fβ 来
确定对 fc 的必要修正,然后从 fc 中减去所需要的脉冲数,以得到校正输出 f0。在适时修正
间隔(~ 1 s)内不能减去的小部分脉冲被用作进位脉冲,所以长期平均值在±2 x 10-8设计准
确度内。PROM 中的校正数据对每个晶体来说都是唯壹的,并且根据 fc和 fβ 输出信号的精
密温度特性获得的。已校正的输出信号 f0 能够再分频,来产生 1pps 的时间参考或能够直接
用来驱动时钟。由于在脉冲消除过程中产生了有害的噪声,必须对附加信号进行处理,以提
供用于频率控制的有用频射输出。例如,可以通过锁定 VCXO 的频率 f0 把 MCXO 的频率
准确度传递给另一个低噪声低成本压控晶体振荡器(VCXO)来完成这项工作。
 
微机补偿晶体振荡器—温度补偿晶体振荡器比较
参数  微机补偿晶体振荡器  温度补偿晶体振荡器
切型及泛音  SC 切型   3阶  AT 切型    1阶
允许切角误差  大  小
金属封装误差  大  小
入射倾角  次要  重要
滞后现象(-550
C  到 +850
C)  10-9
  到 10-8
10-7
到 10-6
年老化率  10-8
  到 10-7
10-7
到 10-6
 
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