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不同時(shí)基及其性質(zhì)的石英晶體振蕩器

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瀏覽：- 發(fā)布日期：2018-12-14 15:52:45【大中小】

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現(xiàn)代電子設(shè)備將時(shí)基用于各種各樣的應(yīng)用.通信系統(tǒng)依賴時(shí)基來調(diào)制和解調(diào)數(shù)據(jù),GPS系統(tǒng)依賴時(shí)基來精確定位,許多其他應(yīng)用依賴時(shí)基來管理系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)流.隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和頻率的增加,設(shè)計(jì)者需要穩(wěn)定性更強(qiáng),噪聲更低的時(shí)基.因此,石英晶體振蕩器設(shè)計(jì)者需要不斷推動(dòng)嚴(yán)格穩(wěn)定性,低噪聲振蕩器設(shè)計(jì)的極限.

振蕩器設(shè)計(jì)者面臨的主要問題之一是相位噪聲現(xiàn)象.相位噪聲是存在于所有真實(shí)世界振蕩器和信號(hào)發(fā)生器中的不希望有的實(shí)體.在傳統(tǒng)接收機(jī)中,它會(huì)導(dǎo)致輸入信息的失真或完全丟失,在相位調(diào)制應(yīng)用中,它會(huì)導(dǎo)致高誤碼率.因此,有必要了解和量化相位噪聲,以使其對(duì)高級(jí)產(chǎn)品的影響最小化.

時(shí)間是一個(gè)所有人天生就掌握的概念,是生命的函數(shù).它將我們的世界定義為日,月,年.當(dāng)我們看時(shí)鐘時(shí),我們知道現(xiàn)在是什么時(shí)候.然而,我們真的理解時(shí)間嗎?它是如何定義的?像所有測(cè)量一樣,時(shí)間是用一定程度的不確定度來測(cè)量的.在工程上應(yīng)用程序我們使用本質(zhì)上不完美的時(shí)間基礎(chǔ),并且給由它們驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用程序增加了不確定性.這種不確定性的一個(gè)副產(chǎn)品是相位噪聲.每個(gè)有源晶振中存在的固有不穩(wěn)定性表現(xiàn)為圍繞振蕩器頻率的噪聲頻譜.這個(gè)噪聲帶通常從載波測(cè)量到距離載波1兆赫茲.它被描繪成dBc/Hz對(duì)f(Hz)的曲線圖,該曲線圖顯示了給定頻率下噪聲功率離載波功率有多遠(yuǎn).

■時(shí)基

作為工程師,我們習(xí)慣于查看我們的頻率計(jì)數(shù)器,并讀取顯示屏來確定我們工作的頻率.但是這種測(cè)量的精確度是多少?測(cè)量的不確定性取決于計(jì)數(shù)器用來驅(qū)動(dòng)內(nèi)部電路的時(shí)基的準(zhǔn)確性.這個(gè)時(shí)基并不完美,因此會(huì)扭曲頻率讀數(shù)的結(jié)果.對(duì)于那些需要非常精確頻率測(cè)量的應(yīng)用來說,這個(gè)時(shí)基的準(zhǔn)確性是最重要的.

IME,就像其他人做的測(cè)量一樣,具有不確定性.然而,時(shí)間是人類產(chǎn)生的最準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn).第二個(gè)定義為銫133(Cs-133)的共振頻率,為9,192,631,770Hz[8].

因此,通過測(cè)量銫的振動(dòng),我們有了時(shí)間標(biāo)準(zhǔn).(32.768K則是給時(shí)鐘提供信號(hào))為NIST(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所)是美國(guó)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的守護(hù)者.截至2005年,NIST標(biāo)準(zhǔn)具有5X10-16S的不確定性,這意味著它在6000萬年內(nèi)不會(huì)增加或減少一秒,[9].

銫原子鐘盡管精度高,但有幾個(gè)缺點(diǎn),使其不適合商業(yè)電子用途.銫標(biāo)準(zhǔn)的成本對(duì)于將其用作時(shí)間基準(zhǔn)來說是令人望而卻步的.其次,它們很大.NIST標(biāo)準(zhǔn)填充了房間的大部分空間,雖然較小的銫標(biāo)準(zhǔn)是可以買到的,但它們不是便攜式物品.此外,銫標(biāo)準(zhǔn)有預(yù)熱時(shí)間.保持它通電很重要,因?yàn)閿嚯娍赡芤馕吨认陆?最后,銫標(biāo)準(zhǔn)使用燃料——銫自然會(huì)耗盡,使裝置有效地“耗盡氣體”.

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由于銫不能有效地用于商業(yè)電子產(chǎn)品或大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用,因此必須考慮其他定時(shí)源.銣提供了非常精確的頻率計(jì)數(shù),類似于銫,但是它也有同樣的缺陷.銣標(biāo)準(zhǔn)只比銫稍差一點(diǎn),因此它們的相關(guān)成本很高.它們不是便攜式設(shè)備,必須在固定位置.銣標(biāo)準(zhǔn)也有和銫一樣的燃料耗盡問題.

大多數(shù)消費(fèi)電子產(chǎn)品的選擇是石英晶體振蕩器.石英通過壓電效應(yīng)工作.施加在晶體上的電壓使其以非常穩(wěn)定和可預(yù)測(cè)的方式振動(dòng).通過切割和成形石英,可以獲得期望的振蕩頻率.

石英有許多優(yōu)點(diǎn):它便宜(與銫和銣相比),體積小(可以獲得小于3225晶振的封裝尺寸的晶體),并且具有高Q(>500K用于較大的坯件).幾十年來,石英一直是計(jì)時(shí)設(shè)備的選擇..

■石英晶體振蕩器

晶體振蕩器有多種類型,形狀和尺寸.XOs(晶體振蕩器)是石英晶振和驅(qū)動(dòng)電路.這些裸骨時(shí)鐘價(jià)格便宜,體積小,但精度有限,因?yàn)榫w會(huì)在溫度上以大約+/-30ppm的頻率漂移.

TCXOs(溫控晶體振蕩器)使用補(bǔ)償電壓來校正晶體的自然溫度漂移.這是通過傳統(tǒng)的熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)或多項(xiàng)式發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)的.TCXOs在溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定性更強(qiáng)(+/-0.25pm),體積小(可用2.0mMx2.5mm),功耗低(在某些情況下為2mA).

MCXOs(微處理器控制的晶體振蕩器)使用微處理器來校正晶體的自然溫度漂移,方法是檢測(cè)工作溫度,并使用該數(shù)據(jù)來校正振蕩器的頻率.這些振蕩器可以實(shí)現(xiàn)+/-0.1pm的溫度穩(wěn)定性,但具有略大的占地面積,消耗更多的功率,并且由于振蕩器中運(yùn)行的微處理器而具有降級(jí)的噪聲特性.

CxOS(烘箱控制晶體振蕩器)和DoCxOS(雙烘箱控制晶體振蕩器)提供石英晶體振蕩器必須提供的最大穩(wěn)定性.通過加熱內(nèi)部電路,晶體保持在幾乎恒定的溫度,幾乎消除了晶體的自然溫度漂移.零件在10-10℃溫度下的穩(wěn)定性是可以實(shí)現(xiàn)的,但是要權(quán)衡封裝占地面積(至少1平方英寸)和功耗(可能超過1A).

盡管Q值很高,石英晶體振蕩器并不完美.理想情況下,正弦振蕩器會(huì)產(chǎn)生等式1中的電壓:

其中Vo是振幅,F0是頻率,t是時(shí)間.

然而,現(xiàn)實(shí)世界中的振蕩器有一些振幅波動(dòng)和相位波動(dòng),其行為與等式2[4]相同.

其中Vo是振幅,F0是頻率,t是時(shí)間, (t)是振幅波動(dòng),(t)是相位波動(dòng).

振蕩器的頻率受到幾個(gè)因素的影響:溫度,長(zhǎng)期漂移和短期不穩(wěn)定性.石英對(duì)溫度非常敏感,在晶振的溫度范圍內(nèi),頻率通常在+/-30ppm之間漂移.長(zhǎng)期漂移,也稱為老化,是石英的一種自然現(xiàn)象,眾所周知.老化特性定義為:

其中t是以天為單位的時(shí)間,A,B和F0是由最小二乘擬合確定的常數(shù)(根據(jù)MIL-PRF-55310D)[7]

從圖1中可以看出,石英晶體諧振器的老化特性是隨時(shí)間變慢的函數(shù).這意味著振蕩器的頻率漂移將隨著時(shí)間的推移而減小.就長(zhǎng)期表現(xiàn)而言,這是一個(gè)理想的效果.振蕩器會(huì)漂移,但是變化速率會(huì)變慢,振蕩器實(shí)際上會(huì)變得更加穩(wěn)定.

短期穩(wěn)定性或Allan方差(AVAR)是對(duì)振蕩器短期頻率變化的測(cè)量.一般來說,AVAR是相對(duì)于特定的選通時(shí)間來指定的.例如,可以選擇20毫秒的選通時(shí)間,取100個(gè)樣本并應(yīng)用于以下公式:

其中f(I)-f(I-1)是連續(xù)頻率測(cè)量值之間的差值(MIL-PRF-55310D).[7]

結(jié)果讓我們感覺到振蕩器在給定的選通時(shí)間從讀到讀有多穩(wěn)定.通過延長(zhǎng)選通時(shí)間,振蕩器的Allan方差減小,表明它在較長(zhǎng)的平均周期內(nèi)更加穩(wěn)定.

低相躁的石英晶體振蕩器采用獨(dú)特的設(shè)計(jì)技術(shù),專注于低溫相位和溫度下的緊密頻率穩(wěn)定性,并為通信和國(guó)防應(yīng)用提供出色的長(zhǎng)期特性.如抖動(dòng),抖動(dòng)會(huì)影響數(shù)字調(diào)制質(zhì)量,導(dǎo)致誤碼率增加.性能高雷達(dá)系統(tǒng)依賴于檢測(cè)來自目標(biāo)的極微弱返回信號(hào),并且這些信號(hào)很容易被接收器本地振蕩器的相位噪聲屏蔽.選擇合適的低相位噪聲晶體振蕩器對(duì)于確保整個(gè)系統(tǒng)和應(yīng)用的性能和可靠性至關(guān)重要.

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