石英晶體振蕩器的比較和選擇
來源：http://www.fuleikeji.cn 作者：康華爾電子 2019年06月22
性能比較高的石英晶體振蕩器,是應(yīng)用比較廣泛的頻率控制元器件,主要材料是石英和水晶,具有優(yōu)良的壓電效應(yīng),可輸出穩(wěn)定的時(shí)鐘源信號.隨著封裝尺寸越做越小,越來越多的用戶注意這種電子零件.以下討論適用于寬溫度范圍的頻率標(biāo)準(zhǔn)(即,設(shè)計(jì)為在跨越至少90°C的溫度范圍內(nèi)工作的標(biāo)準(zhǔn)).在比較窄的溫度范圍內(nèi)操作的實(shí)驗(yàn)室裝置可以具有比下面的比較中更好的穩(wěn)定性.
商用頻率源的精度范圍可達(dá)幾個(gè)數(shù)量級-從簡單的XO到銫束頻率標(biāo)準(zhǔn).隨著精度的提高,功率要求,尺寸和成本也會增加.例如,圖34顯示了精度和功率要求之間的關(guān)系.準(zhǔn)確度與成本的關(guān)系類似,從簡單的XO約為1美元到銫標(biāo)準(zhǔn)約為40,000美元(1991年的價(jià)格).表1顯示了頻率標(biāo)準(zhǔn)的顯著特征的比較.圖35顯示了短期頻率穩(wěn)定性范圍與平均時(shí)間函數(shù)的比較.圖36顯示了相位噪聲特性的比較,表2顯示了弱點(diǎn)和磨損機(jī)制的比較.
圖2.穩(wěn)定性作為頻率標(biāo)準(zhǔn)的平均時(shí)間比較的函數(shù).
圖3.頻率標(biāo)準(zhǔn)的相位不穩(wěn)定性比較.
*包括環(huán)境影響(請注意,Rb和Cs的溫度范圍比石英窄).
表1.頻率標(biāo)準(zhǔn)的顯著特征的比較.
表2.頻率標(biāo)準(zhǔn)的弱點(diǎn)和磨損機(jī)制的比較
表1中提供了原子振蕩器的特性:銣和銫頻率標(biāo)準(zhǔn)以及銣-晶體振蕩器(RbXO).在原子頻率標(biāo)準(zhǔn)中,輸出信號頻率由兩個(gè)原子態(tài)之間的能量差決定,而不是由散裝材料的某些性質(zhì)決定(因?yàn)樗谑⒄袷幤髦?.,直到1983年.RbXO是一種設(shè)備,適用于功率可用性有限但需要原子頻率標(biāo)準(zhǔn)精度的應(yīng)用.
它由銣頻率標(biāo)準(zhǔn),低功率和高穩(wěn)定性石英振蕩器以及將晶體振蕩器的頻率調(diào)整為銣標(biāo)準(zhǔn)的控制電路組成.銣標(biāo)準(zhǔn)物周期性地(例如,每周一次)開啟幾分鐘,使其預(yù)熱并校正晶體振蕩器的頻率.使用RbXO,可以滿足銣標(biāo)準(zhǔn)的長期穩(wěn)定性和晶體振蕩器的低(平均)功率要求.每周一次)幾分鐘它需要預(yù)熱并校正晶體振蕩器的頻率.使用RbXO,可以滿足銣標(biāo)準(zhǔn)的長期穩(wěn)定性和晶體振蕩器的低(平均)功率要求.每周一次)幾分鐘它需要預(yù)熱并校正晶體振蕩器的頻率.使用RbXO,可以滿足銣標(biāo)準(zhǔn)的長期穩(wěn)定性和晶體振蕩器的低(平均)功率要求.
選擇振蕩器時(shí)要回答的主要問題包括:
系統(tǒng)正常運(yùn)行需要什么頻率精度或可重復(fù)性？
這種精度必須保持多長時(shí)間,即有源晶振是否需要定期校準(zhǔn)或更換,還是振蕩器必須保持系統(tǒng)壽命所需的精度？
是否有足夠的電源,或振蕩器是否必須使用電池供電？
允許的熱身時(shí)間是多少？
振蕩器必須運(yùn)行的極端環(huán)境是什么？
什么是短期穩(wěn)定性(相位噪聲)要求？
大小限制是什么？
關(guān)于第二個(gè)問題,最小化成本是什么:初始購置成本還是生命周期成本？通常,重新校準(zhǔn)的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可以提供無校準(zhǔn)壽命的石英晶體振蕩器的額外成本.更好的振蕩器也可以簡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì).
振蕩器的頻率是另一個(gè)重要的考慮因素,因?yàn)檫x擇會對成本和性能產(chǎn)生重大影響.在其他條件相同的情況下,標(biāo)準(zhǔn)頻率的振蕩器,例如5MHz或10MHz,制造商已經(jīng)建立了完善的設(shè)計(jì),其成本將低于異常頻率之一,例如8.34289MHz.此外,對于厚度剪切晶體,如AT切割和SC切割,頻率越低,老化越低.由于在低于5MHz的頻率下,厚度剪切晶體變得太大而不能經(jīng)濟(jì)地制造,并且由于所有最高穩(wěn)定性的振蕩器都使用厚度剪切晶體,因此商用振蕩器的最高穩(wěn)定性頻率為5MHz.
這種振蕩器還具有靠近載波的最低相位噪聲能力.市場上也有一些優(yōu)秀的10MHz振蕩器;然而,頻率高于10MHz的振蕩器具有比5MHz振蕩器高得多的老化速率和接近載波的相位噪聲水平.對于遠(yuǎn)離載波的最低相位噪聲,其中信噪比決定噪聲水平,較高頻率的晶體(例如,100MHz)可以提供較低的噪聲,因?yàn)檫@種晶振可以容忍更高的驅(qū)動(dòng)電平,從而允許更高的信號電平.與5MHz振蕩器相比,頻率高于10MHz的振蕩器具有明顯更高的老化速率和接近載波的相位噪聲水平.
對于遠(yuǎn)離載波的最低相位噪聲,其中信噪比決定噪聲水平,較高頻率的晶體(例如,100MHz)可以提供較低的噪聲,因?yàn)檫@種晶體可以容忍更高的驅(qū)動(dòng)電平,從而允許更高的信號電平.與5MHz振蕩器相比,頻率高于10MHz的振蕩器具有明顯更高的老化速率和接近載波的相位噪聲水平.對于遠(yuǎn)離載波的最低相位噪聲,其中信噪比決定噪聲水平,較高頻率的晶體(例如,100MHz)可以提供較低的噪聲,因?yàn)檫@種石英晶振可以容忍更高的驅(qū)動(dòng)電平,從而允許更高的信號電平.
商用頻率源的精度范圍可達(dá)幾個(gè)數(shù)量級-從簡單的XO到銫束頻率標(biāo)準(zhǔn).隨著精度的提高,功率要求,尺寸和成本也會增加.例如,圖34顯示了精度和功率要求之間的關(guān)系.準(zhǔn)確度與成本的關(guān)系類似,從簡單的XO約為1美元到銫標(biāo)準(zhǔn)約為40,000美元(1991年的價(jià)格).表1顯示了頻率標(biāo)準(zhǔn)的顯著特征的比較.圖35顯示了短期頻率穩(wěn)定性范圍與平均時(shí)間函數(shù)的比較.圖36顯示了相位噪聲特性的比較,表2顯示了弱點(diǎn)和磨損機(jī)制的比較.
圖1.精度和功率要求之間的關(guān)系(XO=簡單晶體振蕩器;TCXO=溫補(bǔ)晶體振蕩器;OCXO=恒溫晶體振蕩器;Rb=銣頻率標(biāo)準(zhǔn);Cs=銫束頻率標(biāo)準(zhǔn)).
圖2.穩(wěn)定性作為頻率標(biāo)準(zhǔn)的平均時(shí)間比較的函數(shù).
圖3.頻率標(biāo)準(zhǔn)的相位不穩(wěn)定性比較.
*包括環(huán)境影響(請注意,Rb和Cs的溫度范圍比石英窄).
表1.頻率標(biāo)準(zhǔn)的顯著特征的比較.
表2.頻率標(biāo)準(zhǔn)的弱點(diǎn)和磨損機(jī)制的比較
它由銣頻率標(biāo)準(zhǔn),低功率和高穩(wěn)定性石英振蕩器以及將晶體振蕩器的頻率調(diào)整為銣標(biāo)準(zhǔn)的控制電路組成.銣標(biāo)準(zhǔn)物周期性地(例如,每周一次)開啟幾分鐘,使其預(yù)熱并校正晶體振蕩器的頻率.使用RbXO,可以滿足銣標(biāo)準(zhǔn)的長期穩(wěn)定性和晶體振蕩器的低(平均)功率要求.每周一次)幾分鐘它需要預(yù)熱并校正晶體振蕩器的頻率.使用RbXO,可以滿足銣標(biāo)準(zhǔn)的長期穩(wěn)定性和晶體振蕩器的低(平均)功率要求.每周一次)幾分鐘它需要預(yù)熱并校正晶體振蕩器的頻率.使用RbXO,可以滿足銣標(biāo)準(zhǔn)的長期穩(wěn)定性和晶體振蕩器的低(平均)功率要求.
選擇振蕩器時(shí)要回答的主要問題包括:
系統(tǒng)正常運(yùn)行需要什么頻率精度或可重復(fù)性？
這種精度必須保持多長時(shí)間,即有源晶振是否需要定期校準(zhǔn)或更換,還是振蕩器必須保持系統(tǒng)壽命所需的精度？
是否有足夠的電源,或振蕩器是否必須使用電池供電？
允許的熱身時(shí)間是多少？
振蕩器必須運(yùn)行的極端環(huán)境是什么？
什么是短期穩(wěn)定性(相位噪聲)要求？
大小限制是什么？
關(guān)于第二個(gè)問題,最小化成本是什么:初始購置成本還是生命周期成本？通常,重新校準(zhǔn)的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可以提供無校準(zhǔn)壽命的石英晶體振蕩器的額外成本.更好的振蕩器也可以簡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì).
振蕩器的頻率是另一個(gè)重要的考慮因素,因?yàn)檫x擇會對成本和性能產(chǎn)生重大影響.在其他條件相同的情況下,標(biāo)準(zhǔn)頻率的振蕩器,例如5MHz或10MHz,制造商已經(jīng)建立了完善的設(shè)計(jì),其成本將低于異常頻率之一,例如8.34289MHz.此外,對于厚度剪切晶體,如AT切割和SC切割,頻率越低,老化越低.由于在低于5MHz的頻率下,厚度剪切晶體變得太大而不能經(jīng)濟(jì)地制造,并且由于所有最高穩(wěn)定性的振蕩器都使用厚度剪切晶體,因此商用振蕩器的最高穩(wěn)定性頻率為5MHz.
這種振蕩器還具有靠近載波的最低相位噪聲能力.市場上也有一些優(yōu)秀的10MHz振蕩器;然而,頻率高于10MHz的振蕩器具有比5MHz振蕩器高得多的老化速率和接近載波的相位噪聲水平.對于遠(yuǎn)離載波的最低相位噪聲,其中信噪比決定噪聲水平,較高頻率的晶體(例如,100MHz)可以提供較低的噪聲,因?yàn)檫@種晶振可以容忍更高的驅(qū)動(dòng)電平,從而允許更高的信號電平.與5MHz振蕩器相比,頻率高于10MHz的振蕩器具有明顯更高的老化速率和接近載波的相位噪聲水平.
對于遠(yuǎn)離載波的最低相位噪聲,其中信噪比決定噪聲水平,較高頻率的晶體(例如,100MHz)可以提供較低的噪聲,因?yàn)檫@種晶體可以容忍更高的驅(qū)動(dòng)電平,從而允許更高的信號電平.與5MHz振蕩器相比,頻率高于10MHz的振蕩器具有明顯更高的老化速率和接近載波的相位噪聲水平.對于遠(yuǎn)離載波的最低相位噪聲,其中信噪比決定噪聲水平,較高頻率的晶體(例如,100MHz)可以提供較低的噪聲,因?yàn)檫@種石英晶振可以容忍更高的驅(qū)動(dòng)電平,從而允許更高的信號電平.
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