1) 恒溫晶體振蕩器(以下簡(jiǎn)稱OCXO)這類型晶振對(duì)溫度穩(wěn)定性的解決方案采用了恒溫槽技術(shù),將晶體置于恒溫槽內(nèi),通過(guò)設(shè)置恒溫工作點(diǎn),使槽體保持恒溫狀態(tài),在一定范圍內(nèi)不受外界溫度影響,達(dá)到穩(wěn)定輸出頻率的效果。這類晶振主要用于各種類型的通信設(shè)備,包括交換機(jī)、SDH傳輸設(shè)備、移動(dòng)通信直放機(jī)、GPS接收機(jī)、電臺(tái)、數(shù)字電視及軍工設(shè)備等領(lǐng)域。根據(jù)用戶需要,該類型晶振可以帶壓控引腳。
OCXO的工作原理如下圖所示:
OCXO的主要優(yōu)點(diǎn)是,由于采用了恒溫槽技術(shù),頻率溫度特性在所有類型晶振中是最好的,由于電路設(shè)計(jì)精密,其短穩(wěn)和相位噪聲都較好。主要缺點(diǎn)是功耗大、體積大,需要5分鐘左右的加熱時(shí)間才能正常工作等。
我公司生產(chǎn)的此類晶振的典型指標(biāo)如下:
2) 溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(以下簡(jiǎn)稱TCXO)。TCXO溫補(bǔ)晶振是通過(guò)其附加的溫度補(bǔ)償電路使周圍溫度變化產(chǎn)生的振蕩頻率變化量削減的一種石英晶體振蕩器。它的溫度補(bǔ)償?shù)脑砟鼐褪峭ㄟ^(guò)改變振蕩回路中的負(fù)載電容,使其隨溫度變化來(lái)補(bǔ)償諧振器由于環(huán)境溫度變化所產(chǎn)生的頻率漂移。
晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振,便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振,而通過(guò)電子調(diào)整頻率的方法保持同步。
晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用,以提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時(shí)鐘信號(hào),可以用與同一個(gè)晶振相連的不同鎖相環(huán)來(lái)提供。
其對(duì)溫度穩(wěn)定性的解決方案采用了一些溫度補(bǔ)償手段,主要原理是通過(guò)感應(yīng)環(huán)境溫度,將溫度信息做適當(dāng)變換后控制晶振的輸出頻率,達(dá)到穩(wěn)定輸出頻率的效果。傳統(tǒng)的TCXO是采用模擬器件進(jìn)行補(bǔ)償,隨著補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展,很多數(shù)字化補(bǔ)償大TCXO開(kāi)始出現(xiàn),這種數(shù)字化補(bǔ)償?shù)腡CXO又叫DTCXO,用單片機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)我們稱之為MCXO,由于采用了數(shù)字化技術(shù),這一類型的晶振再溫度特性上達(dá)到了很高的精度,并且能夠適應(yīng)更寬的工作溫度范圍,主要應(yīng)用于軍工領(lǐng)域和使用環(huán)境惡劣的場(chǎng)合。在廣大研發(fā)人員的共同努力下,我公司自主開(kāi)發(fā)出了高精度的MCXO,其設(shè)計(jì)原理和在世界范圍都是領(lǐng)先的,配以高度自動(dòng)化的生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng),其月產(chǎn)可以達(dá)到5000只,其設(shè)計(jì)原理如圖4。
這類型晶振的典型的應(yīng)用指標(biāo)如下:
3) 普通晶體振蕩器(SPXO)。
這是一種簡(jiǎn)單的晶體振蕩器,通常稱為鐘振,其工作原理為圖3中去除“壓控”、“溫度補(bǔ)償”和“AGC”部分,完全是由晶體的自由振蕩完成。這類晶振主要應(yīng)用于穩(wěn)定度要求不高的場(chǎng)合。4) 壓控晶體振蕩器(VCXO)。
這是根據(jù)晶振是否帶壓控功能來(lái)分類,帶壓控輸入引腳的一類晶振叫VCXO,以上三種類型的晶振都可以帶壓控端口。
晶振的指標(biāo)總頻差:在規(guī)定的時(shí)間內(nèi),由于規(guī)定的工作和非工作參數(shù)全部組合而引起的晶體振蕩器頻率與給定標(biāo)稱頻率的最大偏差。說(shuō)明:總頻差包括頻率溫度穩(wěn)定度、頻率老化率造成的偏差、頻率電壓特性和頻率負(fù)載特性等共同造成的最大頻差。一般只在對(duì)短期頻率穩(wěn)定度關(guān)心,而對(duì)其他頻率穩(wěn)定度指標(biāo)不嚴(yán)格要求的場(chǎng)合采用。例如:精密制導(dǎo)雷達(dá)。頻率穩(wěn)定度:任何晶振,頻率不穩(wěn)定是絕對(duì)的,程度不同而已。一個(gè)晶振的輸出頻率隨時(shí)間變化的曲線如圖2。圖中表現(xiàn)出頻率不穩(wěn)定的三種因素:老化、飄移和短穩(wěn)。
頻率溫度穩(wěn)定度:在標(biāo)稱電源和負(fù)載下,工作在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的不帶隱含基準(zhǔn)溫度或帶隱含基準(zhǔn)溫度的最大允許頻偏。ft=±(fmax-fmin)/(fmax+fmin)ftref =±MAX[|(fmax-fref)/fref|,|(fmin-fref)/fref|]ft:頻率溫度穩(wěn)定度(不帶隱含基準(zhǔn)溫度)ftref:頻率溫度穩(wěn)定度(帶隱含基準(zhǔn)溫度)fmax :規(guī)定溫度范圍內(nèi)測(cè)得的最高頻率fmin:規(guī)定溫度范圍內(nèi)測(cè)得的最低頻率fref:規(guī)定基準(zhǔn)溫度測(cè)得的頻率說(shuō)明:采用ftref指標(biāo)的晶體振蕩器其生產(chǎn)難度要高于采用ft指標(biāo)的晶體振蕩器,故ftref指標(biāo)的晶體振蕩器售價(jià)較高。
開(kāi)機(jī)特性(頻率穩(wěn)定預(yù)熱時(shí)間):指開(kāi)機(jī)后一段時(shí)間(如5分鐘)的頻率到開(kāi)機(jī)后另一段時(shí)間(如1小時(shí))的頻率的變化率。表示了晶振達(dá)到穩(wěn)定的速度。這指標(biāo)對(duì)經(jīng)常開(kāi)關(guān)的儀器如頻率計(jì)等很有用。說(shuō)明:在多數(shù)應(yīng)用中,晶體振蕩器是長(zhǎng)期加電的,然而在某些應(yīng)用中晶體振蕩器需要頻繁的開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī),這時(shí)頻率穩(wěn)定預(yù)熱時(shí)間指標(biāo)需要被考慮到(尤其是對(duì)于在苛刻環(huán)境中使用的軍用通訊電臺(tái),當(dāng)要求頻率溫度穩(wěn)定度≤±0.3ppm(-45℃~85℃),采用OCXO作為本振,頻率穩(wěn)定預(yù)熱時(shí)間將不少于5分鐘,而采用MCXO只需要十幾秒鐘)。頻率老化率:在恒定的環(huán)境條件下測(cè)量振蕩器頻率時(shí),振蕩器頻率和時(shí)間之間的關(guān)系。這種長(zhǎng)期頻率漂移是由晶體元件和振蕩器電路元件的緩慢變化造成的,因此,其頻率偏移的速率叫老化率,可用規(guī)定時(shí)限后的最大變化率(如±10ppb/天,加電72小時(shí)后),或規(guī)定的時(shí)限內(nèi)最大的總頻率變化(如:±1ppm/(第一年)和±5ppm/(十年))來(lái)表示。
晶體老化是因?yàn)樵谏a(chǎn)晶體的時(shí)候存在應(yīng)力、污染物、殘留氣體、結(jié)構(gòu)工藝缺陷等問(wèn)題。應(yīng)力要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的變化才能穩(wěn)定,一種叫“應(yīng)力補(bǔ)償”的晶體切割方法(SC切割法)使晶體有較好的特性。污染物和殘留氣體的分子會(huì)沉積在晶體片上或使晶體電極氧化,振蕩頻率越高,所用的晶體片就越薄,這種影響就越厲害。這種影響要經(jīng)過(guò)一段較長(zhǎng)的時(shí)間才能逐漸穩(wěn)定,而且這種穩(wěn)定隨著溫度或工作狀態(tài)的變化會(huì)有反復(fù)——使污染物在晶體表面再度集中或分散。
因此,頻率低的晶振比頻率高的晶振、工作時(shí)間長(zhǎng)的晶振比工作時(shí)間短的晶振、連續(xù)工作的晶振比斷續(xù)工作的晶振的老化率要好。說(shuō)明:TCXO的頻率老化率為:±0.2ppm~±2ppm(第一年)和±1ppm~±5ppm(十年)(除特殊情況,TCXO很少采用每天頻率老化率的指標(biāo),因?yàn)榧词乖趯?shí)驗(yàn)室的條件下,溫度變化引起的頻率變化也將大大超過(guò)溫度補(bǔ)償晶體振蕩器每天的頻率老化,因此這個(gè)指標(biāo)失去了實(shí)際的意義)。OCXO的頻率老化率為:±0.5ppb~±10ppb/天(加電72小時(shí)后),±30ppb~±2ppm(第一年),±0.3ppm~±3ppm(十年)。短穩(wěn):短期穩(wěn)定度,觀察的時(shí)間為1毫秒、10毫秒、100毫秒、1秒、10秒。晶振的輸出頻率受到內(nèi)部電路的影響(晶體的Q值、元器件的噪音、電路的穩(wěn)定性、工作狀態(tài)等)而產(chǎn)生頻譜很寬的不穩(wěn)定。
測(cè)量一連串的頻率值后,用阿倫方程計(jì)算。相位噪音也同樣可以反映短穩(wěn)的情況(要有專用儀器測(cè)量)。重現(xiàn)性:定義:晶振經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定后關(guān)機(jī),停機(jī)一段時(shí)間t1(如24小時(shí)),開(kāi)機(jī)一段時(shí)間t2(如4小時(shí)),測(cè)得頻率f1,再停機(jī)同一段時(shí)間t1,再開(kāi)機(jī)同一段時(shí)間t2,測(cè)得頻率f2。重現(xiàn)性=(f2-f1)/f2。頻率壓控范圍:將頻率控制電壓從基準(zhǔn)電壓調(diào)到規(guī)定的終點(diǎn)電壓,晶體振蕩器頻率的最小峰值改變量。說(shuō)明:基準(zhǔn)電壓為+2.5V,規(guī)定終點(diǎn)電壓為+0.5V和+4.5V,壓控晶體振蕩器在+0.5V頻率控制電壓時(shí)頻率改變量為-2ppm,在+4.5V頻率控制電壓時(shí)頻率改變量為+2.1ppm,則VCXO電壓控制頻率壓控范圍表示為:≥±2ppm(2.5V±2V),斜率為正,線性為+2.4%。壓控頻率響應(yīng)范圍:當(dāng)調(diào)制頻率變化時(shí),峰值頻偏與調(diào)制頻率之間的關(guān)系。
通常用規(guī)定的調(diào)制頻率比規(guī)定的調(diào)制基準(zhǔn)頻率低若干dB表示。說(shuō)明:VCXO頻率壓控范圍頻率響應(yīng)為0~10kHz。頻率壓控線性:與理想(直線)函數(shù)相比的輸出頻率-輸入控制電壓傳輸特性的一種量度,它以百分?jǐn)?shù)表示整個(gè)范圍頻偏的可容許非線性度。說(shuō)明:典型的VCXO頻率壓控線性為:≤±10%,≤±20%。簡(jiǎn)單的VCXO頻率壓控線性計(jì)算方法為(當(dāng)頻率壓控極性為正極性時(shí)):頻率壓控線性=±((fmax-fmin)/ f0)×100%fmax:VCXO在最大壓控電壓時(shí)的輸出頻率fmin:VCXO在最小壓控電壓時(shí)的輸出頻率f0:壓控中心電壓頻率單邊帶相位噪聲£(f):偏離載波f處,一個(gè)相位調(diào)制邊帶的功率密度與載波功率之比。輸出波形:從大類來(lái)說(shuō),輸出波形可以分為方波和正弦波兩類。
方波主要用于數(shù)字通信系統(tǒng)時(shí)鐘上,對(duì)方波主要有輸出電平、占空比、上升/下降時(shí)間、驅(qū)動(dòng)能力等幾個(gè)指標(biāo)要求。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,通信、雷達(dá)和高速數(shù)傳等類似系統(tǒng)中,需要高質(zhì)量的信號(hào)源作為日趨復(fù)雜的基帶信息的載波。因?yàn)橐粋€(gè)帶有寄生調(diào)幅及調(diào)相的載波信號(hào)(不干凈的信號(hào))被載有信息的基帶信號(hào)調(diào)制后,這些理想狀態(tài)下不應(yīng)存在的頻譜成份(載波中的寄生調(diào)制)會(huì)導(dǎo)致所傳輸?shù)男盘?hào)質(zhì)量及數(shù)傳誤碼率明顯變壞。所以作為所傳輸信號(hào)的載體,載波信號(hào)的干凈程度(頻譜純度)對(duì)通信質(zhì)量有著直接的影響。對(duì)于正弦波,通常需要提供例如諧波、噪聲和輸出功率等指標(biāo)。
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晶體振蕩器
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原文標(biāo)題:幾種特殊的晶體振蕩器
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