石英晶振静态频率与温度稳定性
来源:http://www.jinluodz.com 作者:金洛鑫电子 2018年10月30
所有石英手表内部都有一颗石英晶振,基本上都是32.768K这一频率的,时间精准性和其温度有很大的关系,有些晶体不耐高温或低温,到了比较恶劣的环境,就容易失灵或故障。所以一般比较高档的产品,生产厂家都会采购宽温的石英晶体谐振器,并且精准性要高,时间才不会有误差,频率有分静态和动态两种,接下来我们就看看什么是静态频率,以及它和温度稳定性的关系。
作为温度对频率稳定性的影响的说明,图19显示了温度对典型石英手表精度的影响。在手腕温度附近,手表可以非常准确,因为石英晶体谐振器的频率(即时钟频率)随温度变化很小。但是,当手表冷却至-55°C或加热至+100°C时,每天损失约20秒,因为石英表中使用的音叉晶体的典型频率温度系数为-0.035ppm/°C 2。 晶体单元的静态f对T特性主要由晶体板相对于时钟晶体轴的切割角度确定[3-5]。“静态”意味着温度变化的速度足够慢,温度梯度的影响(稍后解释)可以忽略不计。如图11所示,对于AT切割,切割角度的微小变化(图中为7分钟)可以显着改变f对T特性。通过改变切割角度,可以在很宽的范围内改变零温度系数点,“转换点”。SC切割晶体的f与T特性类似于图11中所示的曲线,具有拐点温度(Ti)转移到约95°C。(Ti的确切值取决于谐振器的设计。)
其他影响晶振单元f与T特性的因素包括泛音[21];晶体板的几何形状;电极的大小,形状,厚度,密度和应力;驱动水平;石英材料中的杂质和应变;安装结构中的应力;干扰模式;电离辐射;温度变化率(即热梯度)[22];和热历史。最后两个因素对于理解恒温晶振和温补晶振的行为很重要,因此需要单独讨论。
图20中的AT切割晶振说明了谐波(即“泛音”)对f与T的影响[21]。此效果对于理解MCXO的操作非常重要。MCXO包含一个SC切割谐振器和一个双模振荡器,它激发谐振器的基模和三次谐波。基模f与T和第三泛音f与T之间的差异几乎完全是由于一阶温度系数之间的差异。因此,当从基模频率的三倍中减去第三泛音频率时,得到的“拍频”是温度的单调和近似线性函数。该拍频使谐振器能够感测其自身的温度。 干扰模式可能导致“活动骤降”(见图21),这可能导致振荡器故障[23]。在活动倾角温度附近,f与T和电阻(R)与T特性均出现异常。当电阻下降时电阻增加,且振荡器的增益裕度不足时,振荡停止。晶体的驱动电平和负载电抗会对活动骤降产生很大影响。活性浸渍温度是CL的函数,因为干扰模式通常具有大的温度系数和C1这与所需模式的不同。TCXO中的活动下降很麻烦,而且当在炉温下发生下降时,OCXO晶振也很麻烦。SC切割晶体中活性下降的发生率远低于AT切割晶体。 影响石英晶体振荡器的f与T特性的一个重要因素是负载电容。当电容器与晶体串联连接时,组合的f对T特性略微偏离晶体的特性。负载电容的温度系数可以大大放大旋转[24]。晶体的f对T可以用多项式函数来描述。立方函数通常足以描述AT切割和SC切割晶体的f对T,精度为±1ppm。在MCXO中,为了使f与T数据拟合为±1x10-8,通常需要至少为七阶的多项式[25]。
作为温度对频率稳定性的影响的说明,图19显示了温度对典型石英手表精度的影响。在手腕温度附近,手表可以非常准确,因为石英晶体谐振器的频率(即时钟频率)随温度变化很小。但是,当手表冷却至-55°C或加热至+100°C时,每天损失约20秒,因为石英表中使用的音叉晶体的典型频率温度系数为-0.035ppm/°C 2。 晶体单元的静态f对T特性主要由晶体板相对于时钟晶体轴的切割角度确定[3-5]。“静态”意味着温度变化的速度足够慢,温度梯度的影响(稍后解释)可以忽略不计。如图11所示,对于AT切割,切割角度的微小变化(图中为7分钟)可以显着改变f对T特性。通过改变切割角度,可以在很宽的范围内改变零温度系数点,“转换点”。SC切割晶体的f与T特性类似于图11中所示的曲线,具有拐点温度(Ti)转移到约95°C。(Ti的确切值取决于谐振器的设计。)
其他影响晶振单元f与T特性的因素包括泛音[21];晶体板的几何形状;电极的大小,形状,厚度,密度和应力;驱动水平;石英材料中的杂质和应变;安装结构中的应力;干扰模式;电离辐射;温度变化率(即热梯度)[22];和热历史。最后两个因素对于理解恒温晶振和温补晶振的行为很重要,因此需要单独讨论。
图20中的AT切割晶振说明了谐波(即“泛音”)对f与T的影响[21]。此效果对于理解MCXO的操作非常重要。MCXO包含一个SC切割谐振器和一个双模振荡器,它激发谐振器的基模和三次谐波。基模f与T和第三泛音f与T之间的差异几乎完全是由于一阶温度系数之间的差异。因此,当从基模频率的三倍中减去第三泛音频率时,得到的“拍频”是温度的单调和近似线性函数。该拍频使谐振器能够感测其自身的温度。 干扰模式可能导致“活动骤降”(见图21),这可能导致振荡器故障[23]。在活动倾角温度附近,f与T和电阻(R)与T特性均出现异常。当电阻下降时电阻增加,且振荡器的增益裕度不足时,振荡停止。晶体的驱动电平和负载电抗会对活动骤降产生很大影响。活性浸渍温度是CL的函数,因为干扰模式通常具有大的温度系数和C1这与所需模式的不同。TCXO中的活动下降很麻烦,而且当在炉温下发生下降时,OCXO晶振也很麻烦。SC切割晶体中活性下降的发生率远低于AT切割晶体。 影响石英晶体振荡器的f与T特性的一个重要因素是负载电容。当电容器与晶体串联连接时,组合的f对T特性略微偏离晶体的特性。负载电容的温度系数可以大大放大旋转[24]。晶体的f对T可以用多项式函数来描述。立方函数通常足以描述AT切割和SC切割晶体的f对T,精度为±1ppm。在MCXO中,为了使f与T数据拟合为±1x10-8,通常需要至少为七阶的多项式[25]。
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