晶振基础知识

本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 1 30 页 晶振基础知识 第一版 晶振基础知识 第一版 摘要 摘要 本文简单介绍了晶体谐振器和晶体振荡器的结构 工作原理 振荡器电路的分类 晶体振 荡器的分类 晶振类器件的主要参数指标和石英晶体基本生产工艺流程 一 振荡电路的定义 构成和工作原理 1 二 晶体振荡器分类 15 三 石英晶体谐振器主要参数指标 17 四 石英晶体振荡器主要参数指标 18 五 石英晶体基本生产工艺流程 25 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 2 30 页 一 振荡电路的定义 构成和工作原理一 振荡电路的定义 构成和工作原理 1 振荡器 振荡器 不需外加输入信号 便能自行产生输出信号的电路 通常也被成为 2 振荡器构成 振荡器构成 谐振器 选频或滤波 驱动 谐振 电路构成振荡器电路 3 谐振器的种类有谐振器的种类有 RC 谐振器 LC 并联谐振器 陶瓷谐振器 石英 晶体 谐振器 原子谐振 器 MEMS 硅 振荡器 本文只讨论石英晶体谐振器 石英谐振器的结构石英谐振器的结构 石英谐振器 它由石英晶片 电极 支架和外壳等部分组成 它的性能与晶片的切割方式 尺寸 电极的设置装架形式 以及加工工艺等有关 其中 晶片的切割问题是设计时首先要考虑的关键 问题 由于石英晶体不是在任何方向都具有单一的振动模式 即单频性 和零温度系数 因此只 有沿某些方向切下来的晶片才能满足设计要求 Base Mounting clips Bonding area ElectrodesQuartz blank Cover Seal Pins Top view of cover Metallic electrodes Resonator plate substrate the blank 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 3 30 页 普通晶振内部结构普通晶振内部结构 石英晶体振荡器主要由基座 晶片 IC 及外围电路 陶瓷基板 DIP OSC 上盖组成 胶点 基座 晶片 Bonding 线 IC 普通晶体振荡器原理图 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 4 30 页 4 振荡电路的振荡条件振荡电路的振荡条件 1 振幅平衡条件是反馈电压幅值等于输入电压幅值 根据振幅平衡条件 可以确定振荡幅度 的大小并研究振幅的稳定 2 相位平衡条件是反馈电压与输入电压同相 即正反馈 根据相位平衡条件可以确定振荡器 的工作频率和频率的稳定 3 振荡幅度的稳定是由器件非线性保证的 所以振荡器是非线性电路 4 振荡频率的稳定是由相频特性斜率为负的网络来保证的 5 振荡器的组成必须包含有放大器和反馈网络 它们必须能够完成选频 稳频 稳幅的功能 6 利用自偏置保证振荡器能自行起振 并使放大器由甲类工作状态转换成丙类工作状态 5 振荡器电路分类振荡器电路分类 单管互感耦合 LC 振 荡器 差分对管 LC 振荡器 考毕兹振荡器 三点式振荡器 哈特莱振荡器 克拉泼振荡器 LC 振荡器 改进三点式振荡器 西勒振荡器 串联型布特勒 皮尔斯振荡器晶体振荡器 并联型 密勒振荡器 导前型 移相式 滞后型 正反馈 RC 振荡器 RC 串并联网络 文氏桥型 正弦波 谐波振 荡器 负阻式 振荡器 非正弦波 自激振荡 器 多谐振荡器 矩形波 弛张振荡 器 对称式多 谐振荡器 正反馈 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 5 30 页 非对称式 多谐振荡 器 正反馈 环形振荡 器 延迟负反馈 施密特多 谐振荡器 延迟负反馈 石英晶体多谐振荡器正反馈 施密特触发器型 电容交叉充 放电型 定时器型 压控振荡器 晶体压控振荡器 门限比较器 比较器迟滞比较器 施密特触 发器 他激振荡 器 脉冲 整形 单稳态触发 器 反馈型振荡器的原理框图如图 5 1 所示 由图可见 反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的 一个闭合环路 放大器通常是以某种选频网络 如振荡回路 作负载 是一调谐放大器 反馈网络一 般是由无源器件组成的线性网络 A F Uo Ui Ui Uf 6 反馈式振荡器工作原理 反馈式振荡器工作原理 6 1 起振条件 振幅 A F 1 Uf Ui 相位 2n 6 2 平衡条件 振幅 A F 1 Uf Ui 相位 2n 6 3 稳定条件 幅度 A 为平衡点 相位 0 P i P iU A F U F A 0 P 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 6 30 页 根据振荡条件 振荡器应包括放大器 选频网络 反馈网络 选频网络不同可以有 LC 并联谐振回路 RC 选频网络 晶体滤波器等 7 LC 正弦振荡器正弦振荡器 凡采用 LC 谐振回路作为选频网络的反馈式振荡器称为 LC 正弦波振荡器 7 1 单管互感耦合 LC 振荡器 1 电路 2 工作原理 3 结论 i 是否可能振荡 取决于变压器正确的同名端标向 ii 是否能起振 取决于变压器是否有足够的耦合量 iii 正反馈系数 7 2 差分对管互感耦合 LC 振荡器 1 电路 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 7 30 页 2 工作原理 3 电路特点 i LC 回路与负载 R2分开 彼此隔离 R2不会影响 LC 回路 Q 值 所以振幅 频率稳定 ii 差分对管基极均为零电位 故输出波形好 失真小 7 3 三点式振荡器 1 定义 用 LC 并联谐振回路作为选频和移相网络的振荡器 LC 回路有三个抽头 分别与晶体管三个电极相连 2 构成原则 从相位平衡条件判断下图 a 三端式振荡器能否振荡的原则为 1 X1 和 X2 的电抗性质相同 2 X3 与 X1 X2 的电抗性质相反 即 射同余异 对于场效应管 为 源同余异 集成运放三点式与同相端相连为同性抗 不与同相端相连为异性抗 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 8 30 页 因此三端式振荡器有两种基本电路 b 电容反馈振荡器 也称为考必兹 Colpitts 振荡器 c 电感反馈振荡器 也称哈特莱 Hartley 振荡器 电容反馈振荡器与电感反馈振荡器的比较 a 两种线路都简单 容易起振 b 电容反馈振荡器的工作频率可以较高 c 电容反馈振荡器的输出波形比电感反馈振荡器的输出波形要好 d 改变电容能够调整振荡器的工作频率 对于电容三点式振荡器 当温度变化引起 C1 C2 变化时 将导致振荡器频率漂移 因此该电路 频率稳定度会受影响 7 4 改进式三点式振荡器 a 克拉泼振荡电路 在电容三点式振荡电路的电感支路上串进了一个小电容 C3 而构成的 该 电路称为串联型电容三点式振荡电路 又称克拉泼振荡电路 改进后 C1和 C2的变化就难以影响到振荡器的振荡频率 因此克拉泼振荡器的频率稳定度好 b 西勒电路 电路主要特点 就是电感支路上串进了一个小电容 C3 同时电感 L 并联一可变电 容 C4 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 9 30 页 8 晶体振荡器晶体振荡器 石英晶体振荡器的结构和基本工作原理石英晶体振荡器的结构和基本工作原理 a 石英晶体振荡器 利用石英晶体 二氧化硅的结晶体 的压电效应制成的一种谐振器件 再加上驱动电路构成的振荡器 b 国际电工委员会 IEC 将石英晶体振荡器分为 4 类 普通晶体振荡 SPXO 电压控制式 晶体振荡器 VCXO 温度补偿式晶体振荡 TCXO 恒温控制式晶体振荡 OCXO c 石英晶体谐振器等效电路 C0 静态电容 C1 动态电容 L1 动态电感 R1 谐振电阻 CL 负载电容 从石英晶体谐振器的等效电路导出石英晶体的总电抗 忽略 R1 101 2 10 11 2 1 1 CCLCC CL X 分子为零和分母为零时 它分别有两个谐振频率 即 1 当 L1 C1 R1 支路发生串联谐振时 它的等效阻抗最小 等于 R1 串联揩振频率用 fs 表 示 石英晶体对于串联揩振频率 fs 呈纯阻性 fs 串联谐振频率 由 L1C1 串联谐振晶体本身的谐振频率 11L2 1 C fs 2 当频率高于 fs 时 L1 C1 R1 支路呈感性 可与电容 C0 发生并联谐振 其并联频率用 fp 表示 fp 并联谐振 负载 频率 在规定条件下 晶体与一个负载电容相串联或相并联 由 L1 C1 Co 并联谐振其组合阻抗呈现为电阻性时的两个频率中的一个频率 10 10 1 CC CC L2 1 pf 由于 C0 远远大于 C1 所以 下图为石英晶体谐振器电抗 频率特性曲线 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 10 30 页 s f p f f 感性 容性 X O 当频率在 fs 和 fp 之间 石英晶体呈感性 在其他频率下 石英晶体呈容性 石英晶体谐振器就是 利用 fs 与 fp 之间的等效电感与其负载电容来确定振荡频率的 fs与 fp之间的范围很窄 对于工作 频率为几兆赫的石英晶体谐振器来说 它只有几十到几百赫 通常石英晶体所给的标称频率 fN既不是 fs也不是 fp而是外接负载电容 CL后校正的振荡频率 由于石英晶体的品质因数 Q 可以如下式来计算 因此石英晶体的品质因数 Q 很大 可以达到 105 108 因而石英晶体的频率选择性很好 从而使 石英晶体谐振器组成的振荡器频率稳定度十分高 根据晶体在电路中的作用 可以将晶体振荡器归为两大类 并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器 8 1 串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器 又被称为布特勒振荡器 是将石英晶振用于正反馈支路中 利用其串联 谐振时等效为短路元件 电路反馈作用最强 满足振幅起振条件 使振荡器在晶振串联谐振频率 f s 上起振 这种振荡器与三点式振荡器基本类似 只不过在正反馈支路上增加了一个晶振 8 2 并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器 a 皮尔斯振荡器 石英晶体等效电容三点式 考必兹 中的电感 从相位平衡条件出发来分析 这个电路的振荡频 率必然在石英晶体的串联谐振频率 fs与并联谐振频率 fp之间 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 11 30 页 该电路有以下特点 1 振荡回路与晶体管 负载之间的耦合很弱 2 振荡频率几乎由石英晶振的参数决定 而石英晶振本身的参数具有高度的稳定性 3 由于振荡频率 f0一般调谐在标称频率 fN上 位于晶振的感性区间 电抗曲线陡峭 稳频性能 极好 4 由于晶振的 Q 值和特性阻抗 r 都很高 所以晶振的谐振电阻也很高 一般可达 1010W 以上 这样即使外电路接入系数很小 此谐振电阻等效到晶体管输出端的阻抗 仍很大 使晶体管的电压 增益能满足振幅起振条件的要求 b 密勒振荡器 石英晶体等效电感三点式 哈特莱 中的一个电感 9 RC 振荡电路 振荡电路 RC 振荡器是利用电阻 电容网络作为选频网络或反馈网络的振荡器 可分为 RC 移相振荡器 RC 选频振荡器 非正弦振荡器非正弦振荡器 以上讨论的均为正弦波振荡器 通常除了正弦输出 还会有 CMOS 输出 TTL 输出 ECL 输出的 需求 这些时候通常需要振荡器输出是一个方波或矩形波 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 12 30 页 非正弦波 方波 输出通常可以分为两大类 自激振荡器和他激振荡器 自激振荡器不需要外加 输入信号 只要接通供电电源 就自动产生矩形脉冲信号 而他激振荡器需要输入其他形状的周 期信号 正弦波 通过脉冲整形电路 将其他周期性信号变换为要求的矩形脉冲信号 自激振荡器电路 自激振荡器电路 10 10 多谐振荡器 矩形波 多谐振荡器 矩形波 是一种矩形波产生电路 这种电路不需要外加触发信号 便能连续地 周期性地自行产生矩形脉冲 该 脉冲是由基波和多次谐波构成 因此称为多谐振荡器电路 10 110 1 弛张振荡器 无选频网络 弛张振荡器 无选频网络 a 对称式多谐振荡器 b 非对称式多谐振荡器 c 环形振荡器 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 13 30 页 d 施密特多谐振荡器 10 2 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器 电阻 R1 R2 的作用是保证两个反相器在静态时都能工作在线性放大区 对 TTL 反相器 常取 R1 R2 R 0 7 k 2k 而对于 CMOS 门 则常取 R1 R2 R 10k 100k C1 C2 C 是耦合电容 它们的容抗在石英晶体谐振频率 f0 时可 以忽略不计 石英晶体构成选频环节 振荡频率等于石英晶体的串联谐振频率 f0 11 压控振荡器压控振荡器 11 1 施密特触发器型压控振荡器施密特触发器型压控振荡器 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 14 30 页 11 2 电容交叉充 放电型压控振荡器电容交叉充 放电型压控振荡器 11 3 定时器型压控振荡器定时器型压控振荡器 11 4 晶体压控振荡器晶体压控振荡器 晶体压控振荡器是通过调节 控制脚 电压 使振荡器输出频率变化的振荡器 主要是通过 变容二极管 Vd 的电容的变化 使晶体谐振器的振荡频率发生变化 变容二极管是一种随电压变化 容量有一定变化的二极管 变容二极管有正变容二极管 电压变 高 容量变高 和负变容二极管 电压变高 容量变低 目前 HOSONIC 公司 DIP VCXO SMD VCXO 均为负变容二极管 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 15 30 页 他激振荡器电路 脉冲整形 他激振荡器电路 脉冲整形 12 比较器整形电路比较器整形电路 12 1 门限比较器门限比较器 12 2 迟滞比较器 施密特触发器 迟滞比较器 施密特触发器 13 单稳态触发器整形电路单稳态触发器整形电路 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 16 30 页 二二 晶体振荡器分类 晶体振荡器分类 国际电工委员会 IEC 将石英晶体振荡器分为 4 类 普通晶体振荡器 SPXO 电压控制式晶体 振荡器 VCXO 温度补偿式晶体振荡 TCXO 恒温控制式晶体振荡 OCXO 普通晶体振荡器 SPXO 可产生 10 5 10 4 量级的频率精度 标准频率 1 100MHZ 频率 稳定度是 100ppm SPXO 没有采用任何温度频率补偿措施 价格低廉 通常用作微处理器的时 钟器件 封装尺寸范围从 21 14 6mm 及 5 3 2 1 5mm 电压控制式晶体振荡器 VCXO 的精度是 10 6 10 5 量级 频率范围 1 30MHz 低容差振 荡器的频率稳定度是 50ppm 通常用于锁相环路 封装尺寸 14 10 3mm 温度补偿式晶体振荡器 TCXO 采用温度敏感器件进行温度频率补偿 频率精度达到 10 7 10 6 量级 频率范围 1 60MHz 频率稳定度为 0 1 2 5ppm 封装尺寸如 DIP14 DIP8 等 通常用于手持电话 蜂窝电话 双向无线通信设备等 恒温控制式晶体振荡器 OCXO 将晶体和振荡电路置于恒温槽中 以消除环境温度变化对频率 的影响 OCXO 频率精度是 10 10 至 10 8 量级 对某些特殊应用甚至达到更高 频率稳定度 在四种类型振荡器中最高 VCXO 原理与结构原理与结构 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 17 30 页 OCXO 晶振内部结构晶振内部结构 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 18 30 页 绝大多数高稳定度晶体振荡器都采用了将晶体恒温的方法 使用了精密的恒温控制槽 将槽内温 度调节到晶体谐振器的温度频率曲线的拐点上 这样 能最大限度地克服温度对晶体振荡器频率 的影响 在所有的晶体振荡器中 恒温晶体振荡器的稳定度最好 老化率最小 被广泛用作标准 频率源 恒温方式既可以由单层恒温 也可以由双层恒温 下图是恒温晶体振荡器的基本组成方 框图 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 19 30 页 三 石英晶体谐振器主要参数指标三 石英晶体谐振器主要参数指标 1 标称频率 晶体技术条件中规定的频率 标识在产品外壳上 2 调整频差 在规定条件下 基准温度 25 2 时工作频率相对于标称频率所允许的偏差 常 见的有 30PPM 和 50PPM 3 温度频差 在规定条件下 在工作温度范围内相对于基准温度 25 2 时工作频率的允许偏 差 常见的有 30PPM 和 50PPM 温频特性与石英的切割角有关 4 工作温度范围 晶体谐振器正常工作的温度范围 若无特殊要求 通常为商业级 即温度范围 0 70 5 串联谐振电阻 石英谐振器在谐振频率时的等效电阻 6 负载电容 与晶体一起决定负载谐振频率 fL 的有效外界电容 通常用 CL 表示 负载电容系列是 8PF 12PF 15PF 20PF 30PF 50PF 100PF 只要可能就应选推荐值 10PF 20PF 30PF 50PF 100PF 7 切型 振动模式 晶体谐振器根据切角的不同 可以分为 AT 切 SC 切 BT 切等多种类 型 现 在获得广泛应用的是 AT 和 SC 切谐振器 振动模式通常分为基频和泛音模式 基频是在振动模式 最低阶次的振动频率 泛音是晶体振动的机械谐波 泛音频率与基频频率之比接 近整数倍但不是 整数倍 这是它与电气谐波的主要区别 泛音振动有 3 次泛音 5 次泛音 7 次泛音 9 次泛音等 8 老化率 在规定条件下 晶体工作频率随时间而允许的相对变化 以年为时间单位衡量时称为 年老化率 9 激励电平 晶体工作时所消耗功率的表征值 一般不超过 1mW 激励电平可选值有 2mW 1mW 0 5mW 0 2mW 0 1mW 50 W 20 W 10 W 1 W 0 1 W 等 PWR 激励功率 晶体工作时所消耗的有效功率 晶体的 DLD 特性是指在不同的激励功率测量时 ESR 或 和频率的变化 理想晶体的 DLD 特性应表现如下 在一个最高到设计功率的很宽广的激励功率范围中 几十点激励功率 ESR 和频率几乎没有变化 异常和理想晶体的 DLD 特性 DLD2 电阻激励功率相关性 RRMAX RRMIN 单位 欧姆 FDLD 频率激励功率相关性 FLMAX FL MIN 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 20 30 页 四 石英晶体振荡器主要参数指标四 石英晶体振荡器主要参数指标 1 标称频率 标称频率 nominal frequency 晶体振荡器应输出频率的标称值F0 频率测量两种方法 频率测量两种方法 方法1测量精度小于等于10 8 方法2测量精度大于10 8 2 工作电压 工作电压 VDD 晶体振荡器正常工作需要提供的电压 目前大量使用的是 5V 和 3 3V 供电的晶 振产品 3 工作电流 工作电流 IDD 4 工作温度范围 工作温度范围 T0能够保证晶体振荡器输出频率及其它各种特性能满足指标要求的温度范围 可以分为商业级 0 70 工业级 40 85 和军品级 55 125 5 频率准确度 频率准确度 通常是指常温 25 度 下 所测晶振频率相对标称频率的差值 频差 频率精度 频差 频率精度 是晶体在规定工作条件下的实际频率值与标准值或基准值间频率差的相对值 一般用 ppm 10 6 表示 主要有调整频差和温度频差 调整频差 调整频差 Frequency Tolerance 在规定 条件下 在基准温度 25 2 与标称频率允许的偏差 一般用 PPm 百万分之 表示 温度频温度频 差 差 Temperature tolerance 是指在整个工作温度范围内频率偏离基准温度下的频率的最大相 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 21 30 页 对值 总频差 总频率精度 总频差 总频率精度 在规定的时间内 由于规定的工作和非工作参数全部组合而引起的晶体 振荡器频率与给定标称频率的最大频差 总频差包括频率温度稳定度 频率老化率造成的偏差 频率电压特性和频率负载特性等共同造成的最大频差 6 频率稳定度 频率稳定度 Frequency Stability 晶振由于各种因素而引起的输出频率随时间的漂移 通常 用其最大变化的相对值来表示 常见的有 30PPM 和 50PPM 任何晶振 频率不稳定是绝对的 程度不同而已 一个晶振的输出频率随时间变化的曲线如图 3 图中表现出频率不稳定的三种因素 老化 飘移和短稳 图 3 晶振输出频率随时间变化的示意图 曲线 1 是用 0 1 秒测量一次的情况 表现了晶振的短稳 曲线 3 是用 100 秒测量一次的情况 表现了晶振的漂移 曲线 4 是用 1 天一次测量的情况 表现了晶振的老化 a a 老化老化 即长期稳定度 频率的单向变化 观察的时间为日 月 年 10 年 b b 漂移漂移 频率作缓慢的来回变化 其平均频率偏移为零 引起漂移的主要原因是温度的变化 各种形式的晶振的温度稳定度列于下表 一般数据 非特殊要求 形式 一般晶振 温补晶振 数字温补晶振 恒温晶振 温度范围 30 80 20 80 20 800 50 温度稳定度 N 10 5n 10 6 n 10 7n 10 7 n 10 8n 10 7 n 10 10 要求较高的时钟 一般都采用恒温晶振 而且对于在室内接近恒温的条件下工作 温度变化约 5 左右 这个指标可以适当放宽 c 短稳短稳 短期稳定度 观察的时间为 1 毫秒 10 毫秒 100 毫秒 1 秒 10 秒 晶振的输出频率受到内部电路如晶体 Q 值 元器件噪音 电路稳定性 工作状态等因素影响而产 生频谱很宽的不稳定 测量一连串的频率值后 用阿伦方程计算 相位噪音也同样可以反映短稳 的情况 频率稳定度还包括开机特性 重现性 负载稳定度 电源稳定度 但时钟一般都在长期连续 固定的负载 稳压的电源情况下工作 这些指标也可以放宽要求 6 1 频率温度稳定度 频率温度稳定度 Frequency temperature characteristics 在标称电源和负载下 工作在规 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 22 30 页 定温度范围内的不带隐含基准温度或带隐含基准温度的最大允许频偏 6 2 频率老化率频率老化率 frequency ageing 长期稳定度长期稳定度 long term frequency stability 在恒定的环境条件下 测量振荡器频率时 振荡器频率和时间之间的关系 这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器电 路元件的缓慢变化造成的 因此 其频率偏移的速率叫老化率 可用规定时限后的最大变化率 如 10ppb 天 加电 72 小时后 或规定的时限内最大的总频率变化 如 1ppm 第一年 和 5ppm 十年 来表示 晶体老化是因为在生产晶体的时候存在应力 污染物 残留气体 结构工艺缺陷等问题 应力要 经过一段时间的变化才能稳定 一种叫 应力补偿 的晶体切割方法 SC 切割法 使晶体有较好的 特性 6 3 日老化率 日老化率 Aging day 振荡器频率一天内频率漂移的数量 6 4 年老化率 年老化率 Aging year 振荡器频率一年内频率漂移的数量 6 5 短期稳定度短期稳定度 short term frequency stability 振荡器频率在短时间内发生的随机波动 常用阿 伦方差 Allan variance 度量 是用时域法描述振荡器短期稳定度的标准方法 相位噪声也同样 可以反映短稳的情况 要有专用仪器测量 6 6 日波动 日波动 指晶振的输出频率在 24 小时内的变化情况 通常用其最大变化的相对值来表示 6 7 开机特性 开机特性 指开机后一段时间 如 5 分钟 的频率到开机后另一段时间 如 1 小时 的频率的变化 率 表示了晶振达到稳定的速度 这指标对经常开关的仪器如频率计等很有用 说明 在多数应用中 晶体振荡器是长期加电的 然而在某些应用中晶体振荡器需要频繁的开机 和关机 这时频率稳定预热时间指标需要被考虑到 尤其是对于在苛刻环境中使用的军用通讯电 台 当要求频率温度稳定度 0 3ppm 45 85 采用 OCXO 作为本振 频率稳定预热时间将 不少于 5 分钟 而采用 MCXO 只需要十几秒钟 6 8 频率电压特性 频率电压特性 在其他条件均保持不变情况下 由于电源电压在规定范围内变化 振荡器频 率与规定标称电源电压下的频率的最大允许频偏 以标称电源电压输出频率为基准的频率一电 压允许偏差不应超过规定极限值 6 9 频率负载特性 频率负载特性 在其他条件保持不变情况下 由于负载阻抗在规定范围内变化 振荡器频率 与规定标称负载阻抗下的频率的最大允许频偏 以标称负载下输出频率为基准的频率一负载允 差不应超过规定极限值 6 10 相位噪声 相位噪声 信号功率与噪声功率的比率 C N 是表征频率颤抖的技术指标 一般来说雷达等 设备会对相位噪声有特殊要求 单边带中每1Hz 带宽的功率对载波功率的相位噪声比不应超过绘 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 23 30 页 于双对数坐标图各规定垂直线段规定的值 相位噪声应该按照下图所示进行测量 6 11 相位抖动 相位抖动 抖动是一个时域概念 抖动是对信号时域变化的测量结果 它从本质上描述了 信号周期距离其理想值偏离了多少 两种常见的抖动定义 1 峰峰值抖动 即正态曲线上最小测量值到最大测量值之间的差距 在大多数电路中 该值会随 测量样本数的增多而变大 理论上可达无穷大 因此 这种测量意义不大 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 24 30 页 2 RMS 均方根 抖动 即正态分布一阶标准偏差的值 该值随样本数的增加变化不大 因而这种 测量较有意义 但这种测量只在纯高斯分布中才有效 如果分布中存在任何确定性抖动 那么利 用整个抖动直方图上的一阶方差来估计抖动出现的可能性就是错误的 3 多个随机抖动源可以用 RMS 方式相加 但要得到总的抖动 需要利用峰峰值 以便将随机抖 动与确定性抖动相加 抖动的测量 1 通过采用示波器进行时域的测量 2 通过使用 BER 测试设备进行数据域的测量 3 使用相噪测试仪或抖动漂移测试仪进行频域的测量 7 波形指标 波形指标 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 25 30 页 7 1 对称性 对称性 Symmetry 占空比 占空比 一个脉冲周期内 高电平与低电平所占比例之比 称为占空比 通常为 45 55 如下图所示 高于规定基准电平以地为参考的时间相对该波形周期的百分数 如图 8 所示 测量方法 以一个波形周期的百分数表示的占空因数应在电压电平以地为基准的50 见图8 处进行测量 除非另有规定 TTL和CMOS 兼容振荡器的占空因数测量电平应按表8 的规定 7 2逻辑电平逻辑电平 根据输出信号电平的高低分为TTL HCMOS ECL等 TTL 和CMOS 兼容制振荡 器逻辑输出电压电平不应超过表1 规定的极限值 对ECL 和其它逻辑种类其逻辑输出电压电乎不 应超过规定极限值 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 26 30 页 7 3上升时间上升时间 定义为响应从最终输出的0 1倍至0 9倍所需的时间 通常在10ns以内 在两个规定的 电压电平之间 见图8 测量方波脉冲的前沿时 观测到的逻辑 0 至逻辑 1 的转换时间 7 4下降时间下降时间 定义为响应从最终输出的0 9倍至0 1倍所需的时间 通常在10ns以内 在两个规定的 电压电平之间 见图8 测量方波脉冲的后沿时 观察到的逻辑 1 至逻辑 0 的转换时间 TTL 和CMOS 兼容振荡器上升和下降时间的测量电平应按表7 的规定对于ECL 和其他逻 辑输出系列测量电平应按规定 8 驱动能力 驱动能力 CMOS 输出提供电容值 TTL 输出提供电流值 9 负载电容 负载电容 Load Capacitance 与晶体一起决定负载谐振频率 fL 的有效外界电容 通常用 CL 表示 10 频率复现性 频率复现性 Retrace characteristics 在规定试验温度下 以稳定条件工作的振荡器关机后 保持在规定的试验温度下一段规定的时间 然后再开机 重现性就是振荡器再开机后规定时刻的 频率与振荡器关机前的即刻频率之差 对于对于 VCXO 还有以下指标 还有以下指标 11 压控范围 总频偏或牵引度压控范围 总频偏或牵引度 pullability PR 即通过调谐控制电压改变输出频率 牵引范 围为变化频率 增大或减少 与中心频率的比值 此比值一般用 ppm 表示 如 100ppm 12 压控电压范围 压控电压范围 将频率控制电压从基准电压调到规定的终点电压 控制电压的范围 13 中心频率压控电压中心频率压控电压 VCXO 标称频率对应的调谐电压规定为 VDD 电源电压 的一半 VCXO 控制电压为 VDD 2 时就产生中心频率 标称频率 14 线性度 线性度 指压控晶振输出频率与压控电压曲线偏离线性的程度 15 输入阻抗输入阻抗 100K 五 石英晶体基本生产工艺流程五 石英晶体基本生产工艺流程 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 27 30 页 设计谐 振器 石英生 长 电清洗 切割 研磨 倒圆 X 射线定 向 角度校 准 倒边 腐蚀 化学 抛光 清洗 掩模定向镀接点 准备封装 安装 焊接 检验 清洗最后清洗 烘干 镀膜 调整频率封焊 试漏 老化 上架 点胶烤胶 性能参数测 量 振荡器 石英的水热生长石英的水热生长 电清洗电清洗 本文中的所有信息归中兴通讯股份有限公司所有 未经允许 不得外传 第 28 30 页 电清洗是一种从石英中消除某些杂质的提纯加工过程 因此能够改善石英晶体的辐射性 和蚀刻特性 它是一种在高温下完成的电场激励的固态扩散过程 典型电清洗过程的主要步 骤是 把电极加在石英棒上 缓慢将棒加热到500 再将电压加在电极上 使其沿Z 方向 的电场约为1kV cm 监测流过石英棒的电流 随电清洗的进行 电流下降 并在电流下降 到某