现代电子设备将时基用于各种各样的应用.通信系统依赖时基来调制和解调数据,GPS系统依赖时基来精确定位,许多其他应用依赖时基来管理系统内的数据流.随着应用范围的扩大和频率的增加,设计者需要稳定性更强,噪声更低的时基.因此,石英晶体振荡器设计者需要不断推动严格稳定性,低噪声振荡器设计的极限.
振荡器设计者面临的主要问题之一是相位噪声现象.相位噪声是存在于所有真实世界振荡器和信号发生器中的不希望有的实体.在传统接收机中,它会导致输入信息的失真或完全丢失,在相位调制应用中,它会导致高误码率.因此,有必要了解和量化相位噪声,以使其对高级产品的影响最小化.
时间是一个所有人天生就掌握的概念,是生命的函数.它将我们的世界定义为日,月,年.当我们看时钟时,我们知道现在是什么时候.然而,我们真的理解时间吗?它是如何定义的?像所有测量一样,时间是用一定程度的不确定度来测量的.在工程上应用程序我们使用本质上不完美的时间基础,并且给由它们驱动的应用程序增加了不确定性.这种不确定性的一个副产品是相位噪声.每个有源晶振中存在的固有不稳定性表现为围绕振荡器频率的噪声频谱.这个噪声带通常从载波测量到距离载波1兆赫兹.它被描绘成dBc/Hz对f(Hz)的曲线图,该曲线图显示了给定频率下噪声功率离载波功率有多远.
■时基
作为工程师,我们习惯于查看我们的频率计数器,并读取显示屏来确定我们工作的频率.但是这种测量的精确度是多少?测量的不确定性取决于计数器用来驱动内部电路的时基的准确性.这个时基并不完美,因此会扭曲频率读数的结果.对于那些需要非常精确频率测量的应用来说,这个时基的准确性是最重要的.
IME,就像其他人做的测量一样,具有不确定性.然而,时间是人类产生的最准确的标准.第二个定义为铯133(Cs-133)的共振频率,为9,192,631,770Hz[8].
因此,通过测量铯的振动,我们有了时间标准.(32.768K则是给时钟提供信号)为NIST(国家标准与技术研究所)是美国时间标准的守护者.截至2005年,NIST标准具有5X10-16S的不确定性,这意味着它在6000万年内不会增加或减少一秒,[9].
铯原子钟尽管精度高,但有几个缺点,使其不适合商业电子用途.铯标准的成本对于将其用作时间基准来说是令人望而却步的.其次,它们很大.NIST标准填充了房间的大部分空间,虽然较小的铯标准是可以买到的,但它们不是便携式物品.此外,铯标准有预热时间.保持它通电很重要,因为断电可能意味着精度下降.最后,铯标准使用燃料——铯自然会耗尽,使装置有效地“耗尽气体”.
由于铯不能有效地用于商业电子产品或大多数实验室应用,因此必须考虑其他定时源.铷提供了非常精确的频率计数,类似于铯,但是它也有同样的缺陷.铷标准只比铯稍差一点,因此它们的相关成本很高.它们不是便携式设备,必须在固定位置.铷标准也有和铯一样的燃料耗尽问题.
大多数消费电子产品的选择是石英晶体振荡器.石英通过压电效应工作.施加在晶体上的电压使其以非常稳定和可预测的方式振动.通过切割和成形石英,可以获得期望的振荡频率.
石英有许多优点:它便宜(与铯和铷相比),体积小(可以获得小于3225晶振的封装尺寸的晶体),并且具有高Q(>500K用于较大的坯件).几十年来,石英一直是计时设备的选择..
■石英晶体振荡器
晶体振荡器有多种类型,形状和尺寸.XOs(晶体振荡器)是石英晶振和驱动电路.这些裸骨时钟价格便宜,体积小,但精度有限,因为晶体会在温度上以大约+/-30ppm的频率漂移.
TCXOs(温控晶体振荡器)使用补偿电压来校正晶体的自然温度漂移.这是通过传统的热敏电阻网络或多项式发生器来实现的.TCXOs在温度范围内稳定性更强(+/-0.25pm),体积小(可用2.0mMx2.5mm),功耗低(在某些情况下为2mA).
MCXOs(微处理器控制的晶体振荡器)使用微处理器来校正晶体的自然温度漂移,方法是检测工作温度,并使用该数据来校正振荡器的频率.这些振荡器可以实现+/-0.1pm的温度稳定性,但具有略大的占地面积,消耗更多的功率,并且由于振荡器中运行的微处理器而具有降级的噪声特性.
CxOS(烘箱控制晶体振荡器)和DoCxOS(双烘箱控制晶体振荡器)提供石英晶体振荡器必须提供的最大稳定性.通过加热内部电路,晶体保持在几乎恒定的温度,几乎消除了晶体的自然温度漂移.零件在10-10℃温度下的稳定性是可以实现的,但是要权衡封装占地面积(至少1平方英寸)和功耗(可能超过1A).
尽管Q值很高,石英晶体振荡器并不完美.理想情况下,正弦振荡器会产生等式1中的电压:
其中Vo是振幅,F0是频率,t是时间.
然而,现实世界中的振荡器有一些振幅波动和相位波动,其行为与等式2[4]相同.
其中Vo是振幅,F0是频率,t是时间, (t)是振幅波动,(t)是相位波动.
振荡器的频率受到几个因素的影响:温度,长期漂移和短期不稳定性.石英对温度非常敏感,在晶振的温度范围内,频率通常在+/-30ppm之间漂移.长期漂移,也称为老化,是石英的一种自然现象,众所周知.老化特性定义为:
其中t是以天为单位的时间,A,B和F0是由最小二乘拟合确定的常数(根据MIL-PRF-55310D)[7]
从图1中可以看出,石英晶体谐振器的老化特性是随时间变慢的函数.这意味着振荡器的频率漂移将随着时间的推移而减小.就长期表现而言,这是一个理想的效果.振荡器会漂移,但是变化速率会变慢,振荡器实际上会变得更加稳定.
短期稳定性或Allan方差(AVAR)是对振荡器短期频率变化的测量.一般来说,AVAR是相对于特定的选通时间来指定的.例如,可以选择20毫秒的选通时间,取100个样本并应用于以下公式:
其中f(I)-f(I-1)是连续频率测量值之间的差值(MIL-PRF-55310D).[7]
结果让我们感觉到振荡器在给定的选通时间从读到读有多稳定.通过延长选通时间,振荡器的Allan方差减小,表明它在较长的平均周期内更加稳定.
低相躁的石英晶体振荡器采用独特的设计技术,专注于低温相位和温度下的紧密频率稳定性,并为通信和国防应用提供出色的长期特性.如抖动,抖动会影响数字调制质量,导致误码率增加.性能高雷达系统依赖于检测来自目标的极微弱返回信号,并且这些信号很容易被接收器本地振荡器的相位噪声屏蔽.选择合适的低相位噪声晶体振荡器对于确保整个系统和应用的性能和可靠性至关重要.
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