頻率元器件石英晶體振蕩器電路通過從石英諧振器獲取電壓信號(hào),放大并反饋給諧振器來維持振蕩.石英的膨脹和收縮速率是共振頻率,由晶體的切割和尺寸決定.當(dāng)產(chǎn)生的輸出頻率的能量與電路中的損耗匹配時(shí),振蕩可以持續(xù).下面龍湖電子將介紹關(guān)于石英晶體振蕩器的電路.

振蕩器晶體有兩塊導(dǎo)電板,中間夾著一塊石英晶體片或音叉.在啟動(dòng)過程中,控制電路將晶體置于不穩(wěn)定的平衡狀態(tài),由于系統(tǒng)中的正反饋,任何微小的噪聲都會(huì)被放大,從而加劇振蕩.石英晶體諧振器在這個(gè)系統(tǒng)中也可以被看作是一個(gè)高頻率選擇性濾波器:它只通過諧振頻率附近的一個(gè)非常窄的子帶,衰減所有其他的頻率.最終,只有共振頻率是活躍的.當(dāng)振蕩器放大來自晶體的信號(hào)時(shí),晶體頻帶中的信號(hào)變得更強(qiáng),最終控制振蕩器的輸出.石英晶體的窄共振帶濾除了所有不想要的頻率.

石英晶體振蕩器的輸出頻率可以是基波諧振頻率,也可以是該諧振頻率的倍數(shù),稱為諧波頻率.諧波是基頻的精確整數(shù)倍.但是,像許多其他機(jī)械諧振器一樣,晶體表現(xiàn)出幾種振蕩模式,通常是基頻的奇整數(shù)倍.這些被稱為"泛音模式",振蕩器電路可以用來激勵(lì)它們.泛音模式的頻率近似,但不是基模頻率的奇整數(shù)倍,因此泛音頻率不是基模的精確諧波.

高頻晶體通常被設(shè)計(jì)成在第三,第五或第七泛音下工作.制造商很難生產(chǎn)薄到足以產(chǎn)生30MHz以上基頻的晶體.為了產(chǎn)生更高的頻率,制造商制造泛音晶體,調(diào)諧到將第三,第五或第七泛音置于所需頻率,因?yàn)樗鼈儽犬a(chǎn)生相同頻率的基本晶體更厚,因此更容易制造——盡管激發(fā)所需泛音頻率需要稍微復(fù)雜一點(diǎn)的振蕩器電路.基本晶體振蕩器電路比第三泛音電路更簡單,更有效,并且具有更大的可拉性.根據(jù)晶振制造商的不同,最高可用基頻可能為25MHz至66MHz.

晶體振蕩器廣泛使用的一個(gè)主要原因是它們的高品質(zhì)因數(shù).石英振蕩器的典型品質(zhì)因數(shù)范圍為10至10,而液晶振蕩器的品質(zhì)因數(shù)可能為102.高穩(wěn)定性石英振蕩器的最大品質(zhì)因數(shù)可以估計(jì)為品質(zhì)因數(shù)=1.6×10/f,其中f是諧振頻率,單位為兆赫.

石英晶體振蕩器最重要的特征之一是它們可以表現(xiàn)出非常低的相位噪聲.在許多振蕩器中,諧振頻率下的任何頻譜能量都被振蕩器放大,導(dǎo)致不同相位的音調(diào)集合.在晶體振蕩器中,晶體主要在一個(gè)軸上振動(dòng),因此只有一個(gè)相位占優(yōu)勢(shì).這種低相位噪聲的特性使得它們?cè)谛枰€(wěn)定信號(hào)的電信和需要非常精確時(shí)間基準(zhǔn)的科學(xué)設(shè)備中特別有用.

溫度,濕度,壓力和振動(dòng)的環(huán)境變化可以改變石英晶體的共振頻率,但是有幾種設(shè)計(jì)可以減少這些環(huán)境影響.這些包括溫補(bǔ)晶振,麥克索和OCXO,定義如下.這些設(shè)計(jì),尤其是OCXO晶振,經(jīng)常生產(chǎn)出短期穩(wěn)定性極好的器件.短期穩(wěn)定性的限制主要是由于振蕩器電路中電子元件的噪聲.晶體老化限制了長期穩(wěn)定性.

由于老化和環(huán)境因素(如溫度和振動(dòng)),如果不不斷調(diào)整,很難將最好的石英振蕩器保持在其標(biāo)稱頻率的1010分之一以內(nèi).因此,原子振蕩器用于需要更好長期穩(wěn)定性和精度的應(yīng)用.

雜散頻率

對(duì)于在串聯(lián)諧振下工作的晶體或通過包含串聯(lián)電感或電容而遠(yuǎn)離主模式的晶體,可能會(huì)出現(xiàn)顯著的(與溫度相關(guān)的)雜散響應(yīng).雖然大多數(shù)雜散模式通常比所需串聯(lián)諧振高幾十千赫,但它們的溫度系數(shù)不同于主模式,雜散響應(yīng)可能在特定溫度下通過主模式.即使寄生諧振下的串聯(lián)電阻看起來高于所需頻率下的串聯(lián)電阻,當(dāng)兩個(gè)頻率重合時(shí),主模式串聯(lián)電阻也會(huì)在特定溫度下發(fā)生快速變化.這些活動(dòng)驟降的結(jié)果是石英晶體振蕩器在特定溫度下可能鎖定在雜散頻率.這通常通過確保維持電路沒有足夠的增益來激活不需要的模式來最小化.

寄生頻率也是通過使晶體經(jīng)受振動(dòng)而產(chǎn)生的.這通過振動(dòng)的頻率在很小程度上調(diào)節(jié)諧振頻率.SC切割晶體旨在將安裝應(yīng)力的頻率效應(yīng)降至最低,因此對(duì)振動(dòng)不太敏感.SC切割晶體的加速效應(yīng)(包括重力)也會(huì)降低,因?yàn)殚L期安裝應(yīng)力變化會(huì)導(dǎo)致頻率隨時(shí)間變化.SC切割剪切模式晶體存在缺點(diǎn),例如需要維持振蕩器來區(qū)別其他密切相關(guān)的不需要的模式,并且當(dāng)受到全模式時(shí)由于溫度而增加頻率變化

環(huán)境范圍.當(dāng)溫度控制在零溫度系數(shù)(周轉(zhuǎn)率)時(shí),SC切割晶體最為有利,在這種情況下,優(yōu)質(zhì)單元的整體穩(wěn)定性性能可以接近銣頻標(biāo)的穩(wěn)定性.

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