晶振的基本原理及特性 晶振一般采用如圖 1a 的電容三端式(考畢茲) 交流等效振蕩電路;實際的晶振交 其中 Cv 是用來調(diào)節(jié)振蕩頻率, 一般用變?nèi)荻O管加上不同 流等效電路如圖 1b, 的反偏電壓來實現(xiàn),這也是壓控作用的機理;把晶體的等效電路代替晶體后如圖 1c。其中 Co,C1,L1,RR 是晶體的等效電路。分析整個振蕩槽路可知,利用 Cv 來改變頻率是有限的:決定振蕩頻率的整個槽 可以看出: C1 路電容 C=Cbe,Cce,Cv 三個電容串聯(lián)后和 Co 并聯(lián)再和 C1 串聯(lián)。 越小,Co 越大,Cv 變化時對整個槽路電容的 作用就越小。因而能"壓控"的頻 率范圍也越小。實際上,由于 C1 很小(1E-15 量級),Co 不能忽略(1E-12 量級, 幾 PF)。所以,Cv 變大時,降 低槽路頻率的作用越來越小,Cv 變小時,升高 槽路頻率的作用卻越來越大。這一方面引起壓控特性的非線性,壓控范圍越大, 非線性就越厲害;另一方面,分給振 蕩的反饋電壓(Cbe 上的電壓)卻越來越小, 最后導致停振。 采用泛音次數(shù)越高的晶振,其等效電容 C1 就越小;因此頻率的變化范圍也就越 小。 晶振的指標 總頻差:在規(guī)定的時間內(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稱頻率的最大偏差。

說明: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 率負載特性等共同造成的最大頻差。一般只在對短期頻率穩(wěn)定度關心,而對其他 頻率穩(wěn)定度指標不嚴格要求的場合采用。例如:精密制導雷達。 頻率穩(wěn)定度:任何晶振,頻率不穩(wěn)定是絕對的,程度不同而已。一個晶振的輸出 頻率隨時間變化的曲線如圖 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)。圖 2 晶振輸出頻率隨時間變化的示意圖 曲線 1 是用 0。1 秒測量一次的情況,表現(xiàn)了晶振的短穩(wěn);曲線 3 是用 100 秒測 量一次的情況,表現(xiàn)了晶振的漂移;曲線 4 是用 1 天一次測量的情況。表現(xiàn)了 晶振的老化。 頻率溫度穩(wěn)定度:在標稱電源和負載下,工作在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的不帶隱含基準 溫度或帶隱含基準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(不帶隱含基準溫度) ftref:頻率溫度穩(wěn)定度(帶隱含基準溫度) fmax :規(guī)定溫度范圍內(nèi)測得的最高頻率 fmin:規(guī)定溫度范圍內(nèi)測得的最低頻率 fref:規(guī)定基準溫度測得的頻率 說明:采用 ftref 指標的晶體振蕩器其生產(chǎn)難度要高于采用 ft 指標的晶體振蕩器, 故 ftref 指標的晶體振蕩器售價較高。

開機特性(頻率穩(wěn)定預熱時間):指開機后一段時間(如 5 分鐘)的頻率到開機后 另一段時間(如 1 小時)的頻率的變化率。表示了晶振達到穩(wěn)定的速度。這指標對 經(jīng)常開關的儀器如頻率計等很有用。 說明:在多數(shù)應用中,晶體振蕩器是長期加電的,然而在某些應用中晶體振蕩器 需要頻繁的開機和關機,這時頻率穩(wěn)定預熱時間指標需要被考慮到(尤其是 對 于在苛刻環(huán)境中使用的軍用通訊電臺,當要求頻率溫度穩(wěn)定度 ≤±0。3ppm(-45℃～85℃),采用 OCXO 作為本振,頻率穩(wěn)定預熱時間將不少于 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)境條件下測量振蕩器頻率時,振蕩器頻率和時間之間的 關系。這種長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)定時限后的最大變化率(如±10ppb/天,加電 72 小時后),或規(guī)定的時限內(nèi)最大的總頻率變化(如:± 1ppm/(第 一年)和±5ppm/(十年))來表示。 晶體老化是因為在生產(chǎn)晶體的時候存在應力,污染物,殘留氣體,結構工藝缺陷 等問題。應力要經(jīng)過一段時間的變化才能穩(wěn)定,一種叫"應力補償"的晶體切割方 法(SC 切割法)使晶體有較好的特性。