石英晶體振蕩器的比較和選擇
來源：http://www.ike-digital.com 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,具有優良的壓電效應,可輸出穩定的時鐘源信號.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準(即,設計為在跨越至少90°C的溫度范圍內工作的標準).在比較窄的溫度范圍內操作的實驗室裝置可以具有比下面的比較中更好的穩定性.
商用頻率源的精度范圍可達幾個數量級-從簡單的XO到銫束頻率標準.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系.準確度與成本的關系類似,從簡單的XO約為1美元到銫標準約為40,000美元(1991年的價格).表1顯示了頻率標準的顯著特征的比較.圖35顯示了短期頻率穩定性范圍與平均時間函數的比較.圖36顯示了相位噪聲特性的比較,表2顯示了弱點和磨損機制的比較.
圖2.穩定性作為頻率標準的平均時間比較的函數.
圖3.頻率標準的相位不穩定性比較.
*包括環境影響(請注意,Rb和Cs的溫度范圍比石英窄).
表1.頻率標準的顯著特征的比較.
表2.頻率標準的弱點和磨損機制的比較
表1中提供了原子振蕩器的特性:銣和銫頻率標準以及銣-晶體振蕩器(RbXO).在原子頻率標準中,輸出信號頻率由兩個原子態之間的能量差決定,而不是由散裝材料的某些性質決定(因為它在石英振蕩器中).,直到1983年.RbXO是一種設備,適用于功率可用性有限但需要原子頻率標準精度的應用.
它由銣頻率標準,低功率和高穩定性石英振蕩器以及將晶體振蕩器的頻率調整為銣標準的控制電路組成.銣標準物周期性地(例如,每周一次)開啟幾分鐘,使其預熱并校正晶體振蕩器的頻率.使用RbXO,可以滿足銣標準的長期穩定性和晶體振蕩器的低(平均)功率要求.每周一次)幾分鐘它需要預熱并校正晶體振蕩器的頻率.使用RbXO,可以滿足銣標準的長期穩定性和晶體振蕩器的低(平均)功率要求.每周一次)幾分鐘它需要預熱并校正晶體振蕩器的頻率.使用RbXO,可以滿足銣標準的長期穩定性和晶體振蕩器的低(平均)功率要求.
選擇振蕩器時要回答的主要問題包括:
系統正常運行需要什么頻率精度或可重復性？
這種精度必須保持多長時間,即有源晶振是否需要定期校準或更換,還是振蕩器必須保持系統壽命所需的精度？
是否有足夠的電源,或振蕩器是否必須使用電池供電？
允許的熱身時間是多少？
振蕩器必須運行的極端環境是什么？
什么是短期穩定性(相位噪聲)要求？
大小限制是什么？
關于第二個問題,最小化成本是什么:初始購置成本還是生命周期成本？通常,重新校準的成本遠遠高于可以提供無校準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的設計.
振蕩器的頻率是另一個重要的考慮因素,因為選擇會對成本和性能產生重大影響.在其他條件相同的情況下,標準頻率的振蕩器,例如5MHz或10MHz,制造商已經建立了完善的設計,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濟地制造,并且由于所有最高穩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,因為這種晶振可以容忍更高的驅動電平,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,因為這種晶體可以容忍更高的驅動電平,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,因為這種石英晶振可以容忍更高的驅動電平,從而允許更高的信號電平.
商用頻率源的精度范圍可達幾個數量級-從簡單的XO到銫束頻率標準.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系.準確度與成本的關系類似,從簡單的XO約為1美元到銫標準約為40,000美元(1991年的價格).表1顯示了頻率標準的顯著特征的比較.圖35顯示了短期頻率穩定性范圍與平均時間函數的比較.圖36顯示了相位噪聲特性的比較,表2顯示了弱點和磨損機制的比較.
圖1.精度和功率要求之間的關系(XO=簡單晶體振蕩器;TCXO=溫補晶體振蕩器;OCXO=恒溫晶體振蕩器;Rb=銣頻率標準;Cs=銫束頻率標準).
圖2.穩定性作為頻率標準的平均時間比較的函數.
圖3.頻率標準的相位不穩定性比較.
*包括環境影響(請注意,Rb和Cs的溫度范圍比石英窄).
表1.頻率標準的顯著特征的比較.
表2.頻率標準的弱點和磨損機制的比較
它由銣頻率標準,低功率和高穩定性石英振蕩器以及將晶體振蕩器的頻率調整為銣標準的控制電路組成.銣標準物周期性地(例如,每周一次)開啟幾分鐘,使其預熱并校正晶體振蕩器的頻率.使用RbXO,可以滿足銣標準的長期穩定性和晶體振蕩器的低(平均)功率要求.每周一次)幾分鐘它需要預熱并校正晶體振蕩器的頻率.使用RbXO,可以滿足銣標準的長期穩定性和晶體振蕩器的低(平均)功率要求.每周一次)幾分鐘它需要預熱并校正晶體振蕩器的頻率.使用RbXO,可以滿足銣標準的長期穩定性和晶體振蕩器的低(平均)功率要求.
選擇振蕩器時要回答的主要問題包括:
系統正常運行需要什么頻率精度或可重復性？
這種精度必須保持多長時間,即有源晶振是否需要定期校準或更換,還是振蕩器必須保持系統壽命所需的精度？
是否有足夠的電源,或振蕩器是否必須使用電池供電？
允許的熱身時間是多少？
振蕩器必須運行的極端環境是什么？
什么是短期穩定性(相位噪聲)要求？
大小限制是什么？
關于第二個問題,最小化成本是什么:初始購置成本還是生命周期成本？通常,重新校準的成本遠遠高于可以提供無校準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的設計.
振蕩器的頻率是另一個重要的考慮因素,因為選擇會對成本和性能產生重大影響.在其他條件相同的情況下,標準頻率的振蕩器,例如5MHz或10MHz,制造商已經建立了完善的設計,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濟地制造,并且由于所有最高穩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,因為這種晶振可以容忍更高的驅動電平,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,因為這種晶體可以容忍更高的驅動電平,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,因為這種石英晶振可以容忍更高的驅動電平,從而允許更高的信號電平.
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