石英晶振靜態(tài)頻率與溫度穩(wěn)定性
來(lái)源：http://djbyg.com 作者：金洛鑫電子 2018年10月30
所有石英手表內(nèi)部都有一顆石英晶振，基本上都是32.768K這一頻率的，時(shí)間精準(zhǔn)性和其溫度有很大的關(guān)系，有些晶體不耐高溫或低溫，到了比較惡劣的環(huán)境，就容易失靈或故障。所以一般比較高檔的產(chǎn)品，生產(chǎn)廠家都會(huì)采購(gòu)寬溫的石英晶體諧振器，并且精準(zhǔn)性要高，時(shí)間才不會(huì)有誤差，頻率有分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種，接下來(lái)我們就看看什么是靜態(tài)頻率，以及它和溫度穩(wěn)定性的關(guān)系。
作為溫度對(duì)頻率穩(wěn)定性的影響的說(shuō)明，圖19顯示了溫度對(duì)典型石英手表精度的影響。在手腕溫度附近，手表可以非常準(zhǔn)確，因?yàn)?a href="http://djbyg.com/Crystal/" target="_blank">石英晶體諧振器的頻率（即時(shí)鐘頻率）隨溫度變化很小。但是，當(dāng)手表冷卻至-55°C或加熱至+100°C時(shí)，每天損失約20秒，因?yàn)槭⒈碇惺褂玫囊舨婢w的典型頻率溫度系數(shù)為-0.035ppm/°C 2。
晶體單元的靜態(tài)f對(duì)T特性主要由晶體板相對(duì)于時(shí)鐘晶體軸的切割角度確定[3-5]。“靜態(tài)”意味著溫度變化的速度足夠慢，溫度梯度的影響（稍后解釋）可以忽略不計(jì)。如圖11所示，對(duì)于AT切割，切割角度的微小變化（圖中為7分鐘）可以顯著改變f對(duì)T特性。通過(guò)改變切割角度，可以在很寬的范圍內(nèi)改變零溫度系數(shù)點(diǎn)，“轉(zhuǎn)換點(diǎn)”。SC切割晶體的f與T特性類似于圖11中所示的曲線，具有拐點(diǎn)溫度（Ti）轉(zhuǎn)移到約95°C。（Ti的確切值取決于諧振器的設(shè)計(jì)。）
其他影響晶振單元f與T特性的因素包括泛音[21];晶體板的幾何形狀;電極的大小，形狀，厚度，密度和應(yīng)力;驅(qū)動(dòng)水平;石英材料中的雜質(zhì)和應(yīng)變;安裝結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力;干擾模式;電離輻射;溫度變化率（即熱梯度）[22];和熱歷史。最后兩個(gè)因素對(duì)于理解恒溫晶振和溫補(bǔ)晶振的行為很重要，因此需要單獨(dú)討論。
圖20中的AT切割晶振說(shuō)明了諧波（即“泛音”）對(duì)f與T的影響[21]。此效果對(duì)于理解MCXO的操作非常重要。MCXO包含一個(gè)SC切割諧振器和一個(gè)雙模振蕩器，它激發(fā)諧振器的基模和三次諧波。基模f與T和第三泛音f與T之間的差異幾乎完全是由于一階溫度系數(shù)之間的差異。因此，當(dāng)從基模頻率的三倍中減去第三泛音頻率時(shí)，得到的“拍頻”是溫度的單調(diào)和近似線性函數(shù)。該拍頻使諧振器能夠感測(cè)其自身的溫度。
干擾模式可能導(dǎo)致“活動(dòng)驟降”（見(jiàn)圖21），這可能導(dǎo)致振蕩器故障[23]。在活動(dòng)傾角溫度附近，f與T和電阻（R）與T特性均出現(xiàn)異常。當(dāng)電阻下降時(shí)電阻增加，且振蕩器的增益裕度不足時(shí)，振蕩停止。晶體的驅(qū)動(dòng)電平和負(fù)載電抗會(huì)對(duì)活動(dòng)驟降產(chǎn)生很大影響?；钚越n溫度是CL的函數(shù)，因?yàn)楦蓴_模式通常具有大的溫度系數(shù)和C1這與所需模式的不同。TCXO中的活動(dòng)下降很麻煩，而且當(dāng)在爐溫下發(fā)生下降時(shí)，OCXO晶振也很麻煩。SC切割晶體中活性下降的發(fā)生率遠(yuǎn)低于AT切割晶體。
影響石英晶體振蕩器的f與T特性的一個(gè)重要因素是負(fù)載電容。當(dāng)電容器與晶體串聯(lián)連接時(shí)，組合的f對(duì)T特性略微偏離晶體的特性。負(fù)載電容的溫度系數(shù)可以大大放大旋轉(zhuǎn)[24]。晶體的f對(duì)T可以用多項(xiàng)式函數(shù)來(lái)描述。立方函數(shù)通常足以描述AT切割和SC切割晶體的f對(duì)T，精度為±1ppm。在MCXO中，為了使f與T數(shù)據(jù)擬合為±1x10-8，通常需要至少為七階的多項(xiàng)式[25]。
作為溫度對(duì)頻率穩(wěn)定性的影響的說(shuō)明，圖19顯示了溫度對(duì)典型石英手表精度的影響。在手腕溫度附近，手表可以非常準(zhǔn)確，因?yàn)?a href="http://djbyg.com/Crystal/" target="_blank">石英晶體諧振器的頻率（即時(shí)鐘頻率）隨溫度變化很小。但是，當(dāng)手表冷卻至-55°C或加熱至+100°C時(shí)，每天損失約20秒，因?yàn)槭⒈碇惺褂玫囊舨婢w的典型頻率溫度系數(shù)為-0.035ppm/°C 2。
其他影響晶振單元f與T特性的因素包括泛音[21];晶體板的幾何形狀;電極的大小，形狀，厚度，密度和應(yīng)力;驅(qū)動(dòng)水平;石英材料中的雜質(zhì)和應(yīng)變;安裝結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力;干擾模式;電離輻射;溫度變化率（即熱梯度）[22];和熱歷史。最后兩個(gè)因素對(duì)于理解恒溫晶振和溫補(bǔ)晶振的行為很重要，因此需要單獨(dú)討論。
圖20中的AT切割晶振說(shuō)明了諧波（即“泛音”）對(duì)f與T的影響[21]。此效果對(duì)于理解MCXO的操作非常重要。MCXO包含一個(gè)SC切割諧振器和一個(gè)雙模振蕩器，它激發(fā)諧振器的基模和三次諧波。基模f與T和第三泛音f與T之間的差異幾乎完全是由于一階溫度系數(shù)之間的差異。因此，當(dāng)從基模頻率的三倍中減去第三泛音頻率時(shí)，得到的“拍頻”是溫度的單調(diào)和近似線性函數(shù)。該拍頻使諧振器能夠感測(cè)其自身的溫度。
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