被广泛用于各电子行领域中的石英晶体单元是已经施加电极的石英晶片,并且其被密封在支架结构中.晶体谐振器是一种机械振动系统,通过压电效应与电气世界相连,当电感器与晶体串联连接时,操作频率降低.通过增加或改变电抗来改变工作频率的能力允许补偿TCXO中晶体单元的频率与温度变化,并调节电压控制石英晶体振荡器的输出频率; 在两者中,通过改变变容二极管上的电压来改变频率.
图1是一个大大简化的电路图,显示了晶体振荡器的基本元件[1-3].晶体振荡器的放大器包括至少一个有源器件,必要的偏置网络;并且可以包括用于频带限制,阻抗匹配和增益控制的其他元件.反馈网络由石英晶体谐振器组成,并且可以包含其他元件,例如用于调谐的可变电容器.
图1.晶体振荡器-简化电路图.
振荡频率由闭环相移=2np的要求决定,其中n是整数,通常为0或1.当振荡器最初通电时,电路中唯一的信号是噪声.噪声的分量,其频率满足振荡的相位条件,以增加的幅度在环路周围传播.增加的速率取决于过量的环路增益和晶体网络的带宽.振幅继续增加,直到放大器增益降低,或者通过有源晶振元件的非线性(在这种情况下是自限制)或者通过外部电平控制方法.
在稳定状态下,闭环增益=1.如果发生相位扰动Df,则振荡频率必须移位Df以维持2np相位条件.可以证明,对于串联谐振振荡器
其中QL是网络中晶体的加载Q[1].("晶体"和"谐振器"通常可与"晶体单元"互换使用,但"晶体单元"是官方名称.)晶体振荡器设计信息可在参考文献中找到1,2,5和7.晶体振荡器的缩写是XO.
晶体单元的共振频率随温度而变化.频率标准中使用的晶振的典型频率与温度(f与T)特性如图11所示.基于处理晶体单元f与T特性的方法,三类晶体振荡器为XO,TCXO和OCXO,(见图12).简单的XO不包含降低晶体f与T变化的方法.对于-55°C至+85°C的温度范围,典型的XOf对T稳定性可能为±25ppm.
图2.AT切割晶体的频率与温度特性,显示Y形棒石英中的AT-和BT-切割板.
图3.基于晶体单元频率与温度特性的晶体振荡器类别.
在TCXO晶振中,来自温度传感器(热敏电阻)的输出信号用于产生校正电压,该校正电压施加到晶体网络中的电压可变电抗(变容二极管)[13].电抗变化产生的频率变化与温度变化引起的频率变化相等且相反;换句话说,电抗变化补偿晶体的f对T变化.模拟TCXO可以提供比晶体f与T变化相比大约20倍的改进.对于-55°C至+85°C的温度范围,良好的TCXO可具有±1ppm的f对T稳定性.
在OCXO中,振荡器电路的晶体单元和其他温度敏感元件在烘箱中保持恒定温度[13].制造的晶体具有f对T特性,其在烘箱温度下具有零斜率.为了在整个OCXO的温度范围内保持稳定的烘箱温度(没有内部冷却装置),烘箱温度选择为高于OCXO晶振的最高工作温度.与晶体的f与T变化相比,OCXO可以提供超过1000倍的改进.对于-55°C至+85°C的温度范围,良好的OCXO可具有优于±5x10-9的f对T稳定性.OCXO比TCXO需要更多功率,更大,成本更高.
补偿振荡器的一个特例是微机补偿晶体振荡器(MCXO)[14].MCXO克服了限制TCXO可达到的稳定性的两个主要因素:测温和晶体单元的稳定性.MCXO使用更精确的"自温感应"方法,而不是晶体单元外部的温度计,如热敏电阻.在双模OSCillator Crystal中同时激发两种晶体模式.组合这两种模式使得得到的拍频是温度的单调(和近似线性)函数.晶体因此感知其自身的温度.为了减少f与T的变化,MCXO使用数字补偿技术:在一个实现中删除脉冲,在另一个实现中直接数字合成补偿频率.晶体的频率不是"拉",这允许使用高稳定性(小C1)SC切割晶体单元.对于-55°C至+85°C的温度范围,典型的MCXO可具有±2X10-8的f对T稳定性.
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