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  • 石英晶体振荡器

    在恒定的负载和温度的条件下,输出电压源给到晶体会产生机械振荡,进而产生特定频率的电压信号,称为石英晶体振荡器。所产生的频率与晶体的形状和大小有关系,晶体越薄,共振频率越高,且晶体经过切割后不能产生任何的其他频率。

    振荡器电路图.jpg

    主要的影响因素

    对于石英晶体振荡器而言,有许多因素影响到系统的频率稳定性,如:老化、噪声、温度、保持电路、可保持性、磁场、湿度、电源电压与震动。下面介绍某些重要因素:

    ① 不稳定因素-时间

    老化与短期是时间影响频率不稳定性的主要因素。老化是由于振荡器内部变化造成的频率的长期系统性变化。虽然老化影响频率范围只有几PPM,但对于DTV或机顶盒这类需精确频率系统的产品来说特别重要。而短期的不稳定性本质上具有随机性,往往可以定义为噪声。影响老化的因素有很多,如:质量转移、晶体受到的应力、热膨胀、安装受力、键合单元、晶振的驱动电平以及DC偏置等都会影响到晶振的使用期限。理想状态下,短期的石英晶体振荡器的输出是完美的正弦波。然而理想系统中随机噪声或闪烁噪声会导致信号的相位偏移,从而造成频率为了保持2nπ相位条件而发生改变。相位斜率dφ/dfQL成正比,必须保持高值,以确保最高的频率稳定性。为了维持高相位斜率,Cm 应当尽可能小。因此,fsfp之间电抗/频率的斜率越大,则频率稳定性越高。

    ② 不稳定因素-温度

    不同产品的诉求,对温度的诉求不一样。一般,石英晶体振荡器的温度分为民、企、工、航天等级别,温度范围在-40~+150℃,然而随着升至极端温度,额定频率的变化开始增大,有可能达到几十ppm.计算等应用可以承受这一点,但是对于导航、雷达、无线电通信、卫星通信等对准确度与精度要求极高的应用来说,则无法接受这种巨大变化。因此,此类应用需要在系统中添加额外的补偿元件

    ③ 不稳定因素-可调谐性

    对于频率范围要求不高或较宽的频率范围内可调谐性会导致不稳定性。为了实现可调谐性,需要采用滤波器消除多余的频率模式。然而这样会影响到可协调性很难实现更高的频率稳定性,因为负载电抗会受到滤波器中使用的变抗器的杂散电容与电感的影响。

    ④ 不稳定因素-保持电路

    当在晶振中增加外部负载电容器时,电容器与杂散电容的容差会导致实际负载电容偏离所需值。负载电容的这种变化也会造成频率改变。其可从下式求出:

    振荡器保持电路计算公式.jpg

    *Cm:晶振动生电容;

    *CS:晶振分流电容;

    *CL_NOM:负载电容;

    *CL:实际电容。


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