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    晶體振蕩器特點

    日期:2022-05-17 10:37
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    摘要:

     
      
      
     
    晶體振蕩器特點
    z  在振蕩頻率上,閉合回路的相移為 2nπ。
    z  當開始加電時,電路中唯壹的信號是噪聲。滿足振蕩相位條件的頻率噪聲分量以增
    大的幅度在回路中傳輸,增大的速率由附加分量,即小信號,回路益增和晶體網絡
    的帶寬決定。
    z  幅度繼續增大,直到放大器增益因有源器件(自限幅)的非線性而減小或者由于某
    一自動電平控制而被減小。
    z  在穩定狀態下,閉合回路的增益為 1。
     振蕩與穩定度
    z  如果產生相位波動 ? Δ ,頻率必然產生偏移 f Δ ,以維持 π n 2 的相位條件。對于串
    聯諧振振蕩器, L Q ff 2// ? Δ ? =Δ , 是網絡中晶體的負載值Q值?!跋辔恍?br>率”
    L Q
    dfd / ? 是與靠近串聯諧振頻率的 成正比的(見第三部分“等效電路”和
    “頻率與電抗的關系”)。
    L Q
    z  大多數振蕩器均工作在“并聯諧振”上,電抗與頻率斜率的關系 ,即“逆
    電容”是與晶體器件的動態電容 C1成反比的。
    dfdx /
    z  相對于振蕩回路中的相位(電抗)波動的*高頻率穩定度來說,相位斜率(或電抗
    斜率)必須*大,即 C1 應當*小,而 應當*大。石英晶體器件的高 值和高
    的逆電容,決定振蕩器元件的基本頻率(或頻率穩定度)。
    L Q Q
     
    可調性和穩定度
    要使振蕩器諧調在寬的頻率范圍內,就會降低其穩定度,因為要使振蕩器按要求進行調
    諧,同時也會使振蕩器容易受不合要求的調諧因素影響。調諧范圍越寬,就越難以保持高的
    穩定度。例如,如果設計 OCXO 的短期穩定度在某一平均時間為 1×10-12,而可調性為 1
    ×10-7,則晶體的負載電抗在上述平均時間必須穩定在上 1×10-5。要獲得這樣的穩定度使
    困難的,因為影響負載電抗的因素有:寄生電容和電感、變容二極管的電容與電壓特性的穩
    定度,以及加在變容二極管上的電壓的穩定度。此外,1×10-5 的負載電抗穩定度不僅必須
    在開始條件下保持,而且在環境條件(溫度、振動、輻射等)變化時,也必須保持。
    同時,高穩定度 10 MHz 的恒溫壓控晶振的頻率調整范圍為 5×10-7,老化率為 2×
    10-8/y,而寬調諧范圍的 10 MHz 壓控晶振的調諧范圍為 50 ppm,老化率為 2 ppm/y。 
     
     
     

    每一種 OCXO 都主要由三部分組成,即石英晶體,持續電路和恒溫,他們都會引起不
    穩定。不同情況下的不穩定將會在第 3 章余下的部分和第 4 章中討論
    振蕩器的不穩定性——通常表達式 
      
    這里的QL是諧振器受到的載荷Q,dφ(ff)是在閉合電路發生小變化后,遠離信號頻率f的
    偏移頻率ff相位。系統的相位變化和閉合電路中的相位噪聲來自于諧振器或持續電路。取QL
    的*大值能有效減小噪聲的影響和由于環境引起的持續電子裝置的改變。在一個實際的振蕩
    器設計中,諧振器在偏移頻率影響下的短期不穩定性比諧振器的半帶寬要小,且由于持續電
    路和從閉合電路中大量能量的的傳送會引起更大的偏移。
     
    持續電路引起的不穩定性
    負載電抗變化—增加一個負載電容到晶體上來改變頻率,設
    例如:如果 C0=5pF,C1=14pF,CL=20pF,則△CL=10pF(=5×10-4)引起約 1×10-7 頻
    率變化,而 CL 老化率是每天 10ppm使得振蕩器的老化率為每天 2 X 10-9
    激勵電平變化:對于 10MHz 的3 次泛音 SC 切,一般每毫安平方 10-8。
    晶體的直流偏壓也能引起振蕩器的老化。
     
    調諧電路引起的不穩定性
    許多振蕩器包含調諧電路比如匹配電路和濾波器,為了防止不必要的模式。在調諧電路
    里的感應系數和電容量在小變化后的影響由下給出 
     
     
     
    這里的 BW式濾波器的帶寬,ff是濾波器相對于中心頻率的偏移頻率,QL 是諧振器上
    的載荷 Q,QC,LC 和 CC 分別是調諧電路的 Q值,感應系數和電容量。
     
    電路噪聲引起的不穩定性
    由持續電路中閃變 PM噪聲  引起的閃變 FM,對振蕩器的輸出頻率有著一定的影響

    這里的ff是載波頻率f的偏移頻率,QL是振蕩器電路上的載荷Q,Lckt(1HZ)是f=1HZ時的
    閃變 PM  噪聲,τ  時任意測量時間內的閃變基底范圍。對于QL=106 和Lckt(1HZ)=
    -140dBc/Hz,σy(τ) = 8.3 x 10-14。 ( Lckt (1Hz) = -155dBc/Hz 已經能夠實現.)
     
    外載荷引起的不穩定性
    如果外載荷發生變化,反射回振蕩器的電波振幅或相位也會隨著改變。到達振蕩回路的
    一部分信號改變了振蕩器的相位,因此頻率變成:

    這里 Γ 是載荷的電壓駐波,θ 是反射波的相位角。
     
     振蕩器的輸出
    大多數用戶要求正弦波輸出,或者 TTL 兼容,或者 CMOS兼容,或者 ECL 兼容輸出。
    后三種輸出都可以正弦波產生?,F在對 4 中輸出類型說明如下。虛線表示輸入電壓,實線表
    示輸出。對于正弦波振蕩器來說,對于正弦波振蕩器沒有“標準的”輸入電壓。CMOS 的
    輸入電壓一般為 1~10V。
     
     
    振蕩器的溫度自測
     
    fβ 是振蕩器正在振蕩時的振蕩器溫度,因此除了振蕩還要消除溫度計的需要。因為 SC
    切型時熱瞬時補償,由于受到溫度和振蕩下的溫度梯度的影響,熱瞬時效應也被消除。 
    熱拍頻率的產生
    低通濾波器
    X3 
    增加器
    M=1
    M=3
    f1
    f3
    雙模式振蕩器
    fβ = 3f1 - f3
    混頻器
     
    微機補償石英振蕩器使用高穩定性的 10MHz Sc切型石英晶體諧振器和雙模振蕩器,這
    能同時激發諧振器的和 3 次泛音模式。拍頻率可以是基頻模式乘 3 然后減去 3 次泛音頻率,
    如圖所顯,或者 3 次泛音頻率除 3,這樣得到拍頻率 fβ = f1 - f3/3。如前圖所式,拍頻率是
    單調的并且幾乎是溫度的線性函數。它提供了一個高精度,數字顯示的振動范圍的溫度,因
    此就不需要外加的溫度計。
     
    微機補償晶體振蕩器
     
    微機補償晶體振蕩器頻率相加方法
    結構圖
     
    在頻率疊加方法中,直接數字頻率合成器(DDS)基于 N2 產生一個校正頻率 fd,從而
    在所有溫度情況下 f3 + fd = 10MHz。相位鎖定回路把電壓控制晶體振蕩器的頻率**的控
    制在 10MHz。
    在“頻率模式”中,1PPS的輸出是從 10MHz 除以一些數得到的。在能量守恒的“調速
    方式”中,1PPS 是直接從 f3 驅動直接數字頻率合成器,并通過使用不同的校正公式產生的。
    鎖相環和一部分數字電路被關閉。在校正的同時,微處理器準備“休眠”,并且定時被延長
    來減少能量的需求。
     
    微機補償晶體振蕩器——脈沖消除方法
     在脈沖消除方法中,SC 切型的諧振器頻率要稍微高于輸出頻率 f0。比如,如果 f0 為
    10MHz,則 SC 切型諧振器的頻率在設計的溫度范圍內都要略高于 10MHz。雙模振蕩器提
    供兩種輸出信號,其中之一 fβ 為諧振器的溫度指標。信號均由微機進行處理,它根據 fβ 來
    確定對 fc 的必要修正,然后從 fc 中減去所需要的脈沖數,以得到校正輸出 f0。在適時修正
    間隔(~ 1 s)內不能減去的小部分脈沖被用作進位脈沖,所以長期平均值在±2 x 10-8設計準
    確度內。PROM 中的校正數據對每個晶體來說都是唯壹的,并且根據 fc和 fβ 輸出信號的精
    密溫度特性獲得的。已校正的輸出信號 f0 能夠再分頻,來產生 1pps 的時間參考或能夠直接
    用來驅動時鐘。由于在脈沖消除過程中產生了有害的噪聲,必須對附加信號進行處理,以提
    供用于頻率控制的有用頻射輸出。例如,可以通過鎖定 VCXO 的頻率 f0 把 MCXO 的頻率
    準確度傳遞給另一個低噪聲低成本壓控晶體振蕩器(VCXO)來完成這項工作。
     
    微機補償晶體振蕩器—溫度補償晶體振蕩器比較
    參數  微機補償晶體振蕩器  溫度補償晶體振蕩器
    切型及泛音  SC 切型   3階  AT 切型    1階
    允許切角誤差  大  小
    金屬封裝誤差  大  小
    入射傾角  次要  重要
    滯后現象(-550
    C  到 +850
    C)  10-9
      到 10-8
    10-7
    到 10-6
    年老化率  10-8
      到 10-7
    10-7
    到 10-6
     
    光電子振蕩器 
     

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