超过十亿即每年生产石英晶体振荡器,石英晶振用于从廉价钟表到无线电导航和航天器跟踪系统的各种应用.回顾了石英振荡器的基本原理,重点是石英频率标准(与廉价的时钟振荡器相反).晶体谐振器和振荡器,振荡器类型,温度补偿晶体振荡器(TCXO)和恒温晶体振荡器(OCXO)的特性和局限性.振荡器不稳定性包括:老化,噪声,频率与温度,预热,加速效应,磁场效应,大气压力效应,辐射效应以及各种效应之间的相互作用.提供了振荡器比较和选择的指南.
作为温度对频率稳定性的影响的说明.图1显示了温度对典型石英晶振手表精度的影响.在手腕温度附近.手表可以非常准确.因为晶体的频率(即时钟频率)随温度变化很小.但是.当手表冷却至-55°C或加热至+100°C时.每天损失约20秒.因为石英表中使用的音叉晶体的典型频率温度系数为-0.035ppm/°C2.
图1.手表精度受温度影响.
晶体单元的静态f对T特性主要由晶体板相对于石英晶体谐振器轴的切割角度确定."静态"意味着温度变化的速度足够慢.温度梯度的影响(稍后解释)可以忽略不计.作为示出了用于AT切割.在切割的角度的微小变化(在图中7分钟)可以显著改变的F对比T特性.通过改变切割角度.可以在很宽的范围内改变零温度系数点."转换点".SC切割晶体的f与T特性类似于所示的曲线.具有拐点温度(Ti)转移到约95°C.(Ti的确切值取决于谐振器的设计.)
其他影响晶体单元f与T特性的因素包括泛音;晶体板的几何形状;电极的尺寸.形状.厚度.密度和应力;驱动水平;石英材料中的杂质和应变;安装结构中的应力;干扰模式;电离辐射;温度变化率(即热梯度);和热历史.最后两个因素对于理解OCXO和TCXO晶振的行为很重要.因此需要单独讨论.
图2中的AT切割晶体说明了谐波(即"泛音")对f与T的影响.此效果对于理解MCXO的操作非常重要.MCXO包含一个SC切割谐振器和一个双模振荡器.它可以激发谐振器的基模和三次谐波.基模f与T和第三泛音f与T之间的差异几乎完全是由于一阶温度系数之间的差异.因此.当从基模频率的三倍中减去第三泛音频率时.得到的"拍频"是温度的单调和近似线性函数.该拍频使谐振器能够感测其自身的温度.
图2.谐波对f与T的影响
干扰模式可能导致"活动骤降"(见图3).这可能导致振荡器故障.在活动倾角温度附近.f与T和电阻(R)与T特性均出现异常.当电阻下降时电阻增加.并且振荡器的增益裕度不足时.振荡停止.晶体的驱动电平和负载电抗会对活动骤降产生很大影响.活性浸渍温度是CL的函数.因为干扰模式通常具有大的温度系数和C1这与所需模式的不同.TCXO中的活动下降很麻烦.而且当在炉温下发生下降时.OCXO晶振也很麻烦.SC切割晶体中活性下降的发生率远低于AT切割晶体.
图3.有和没有CL的频率与温度和电阻与温度特性的活动下降.
影响石英晶体振荡器的f与T特性的一个重要因素是负载电容.当电容器与晶体串联连接时.组合的f对T特性略微偏离晶体的特性.负载电容的温度系数可以大大放大旋转.
晶体的f对T可以用多项式函数来描述.立方函数通常足以描述AT切割和SC切割石英晶振的f对T.精度为±1ppm.在MCXO中.为了使f对T数据拟合到±1x10-8.通常需要至少为七阶的多项式.
