晶振的基本原理及特性_专业资料

晶振的基本原理及特性 晶振一般采用如图 1a 的电容三端式(考毕兹) 交流等效振荡电路;实际的晶振交 其中 Cv 是用来调节振荡频率, 一般用变容二极管加上不同 流等效电路如图 1b, 的反偏电压来实现,这也是压控作用的机理;把晶体的等效电路代替晶体后如图 1c。其中 Co,C1,L1,RR 是晶体的等效电路。分析整个振荡槽路可知,利用 Cv 来改变频率是有限的:决定振荡频率的整个槽 可以看出: C1 路电容 C=Cbe,Cce,Cv 三个电容串联后和 Co 并联再和 C1 串联。 越小,Co 越大,Cv 变化时对整个槽路电容的 作用就越小。因而能"压控"的频 率范围也越小。实际上,由于 C1 很小(1E-15 量级),Co 不能忽略(1E-12 量级, 几 PF)。所以,Cv 变大时,降 低槽路频率的作用越来越小,Cv 变小时,升高 槽路频率的作用却越来越大。这一方面引起压控特性的非线性,压控范围越大, 非线性就越厉害;另一方面,分给振 荡的反馈电压(Cbe 上的电压)却越来越小, 最后导致停振。 采用泛音次数越高的晶振,其等效电容 C1 就越小;因此频率的变化范围也就越 小。 晶振的指标 总频差:在规定的时间内,由于规定的工作和非工作参数全部组合而引起的晶体 振荡器频率与给定标称频率的最大偏差。

说明:总频差包括频率温度稳定度,频率老化率造成的偏差,频率电压特性和频 率负载特性等共同造成的最大频差。一般只在对短期频率稳定度关心,而对其他 频率稳定度指标不严格要求的场合采用。例如:精密制导雷达。 频率稳定度:任何晶振,频率不稳定是绝对的,程度不同而已。一个晶振的输出 频率随时间变化的曲线如图 2。图中表现出频率不稳定的三种因素:老化,飘移 和短稳。图 2 晶振输出频率随时间变化的示意图 曲线 1 是用 0。1 秒测量一次的情况,表现了晶振的短稳;曲线 3 是用 100 秒测 量一次的情况,表现了晶振的漂移;曲线 4 是用 1 天一次测量的情况。表现了 晶振的老化。 频率温度稳定度:在标称电源和负载下,工作在规定温度范围内的不带隐含基准 温度或带隐含基准温度的最大允许频偏。 ft=±(fmax-fmin)/(fmax+fmin) ftref =±MAX[|(fmax-fref)/fref|,|(fmin-fref)/fref|] ft:频率温度稳定度(不带隐含基准温度) ftref:频率温度稳定度(带隐含基准温度) fmax :规定温度范围内测得的最高频率 fmin:规定温度范围内测得的最低频率 fref:规定基准温度测得的频率 说明:采用 ftref 指标的晶体振荡器其生产难度要高于采用 ft 指标的晶体振荡器, 故 ftref 指标的晶体振荡器售价较高。

开机特性(频率稳定预热时间):指开机后一段时间(如 5 分钟)的频率到开机后 另一段时间(如 1 小时)的频率的变化率。表示了晶振达到稳定的速度。这指标对 经常开关的仪器如频率计等很有用。 说明:在多数应用中,晶体振荡器是长期加电的,然而在某些应用中晶体振荡器 需要频繁的开机和关机,这时频率稳定预热时间指标需要被考虑到(尤其是 对 于在苛刻环境中使用的军用通讯电台,当要求频率温度稳定度 ≤±0。3ppm(-45℃～85℃),采用 OCXO 作为本振,频率稳定预热时间将不少于 5 分 钟,而采用 MCXO 只需要十几秒钟)。 频率老化率:在恒定的环境条件下测量振荡器频率时,振荡器频率和时间之间的 关系。这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器电路元件的缓慢变化造成 的, 因此,其频率偏移的速率叫老化率,可用规定时限后的最大变化率(如±10ppb/天,加电 72 小时后),或规定的时限内最大的总频率变化(如:± 1ppm/(第 一年)和±5ppm/(十年))来表示。 晶体老化是因为在生产晶体的时候存在应力,污染物,残留气体,结构工艺缺陷 等问题。应力要经过一段时间的变化才能稳定,一种叫"应力补偿"的晶体切割方 法(SC 切割法)使晶体有较好的特性。