探索石英晶振的靜態狀況與溫度系數

石英晶振單元的共振頻率隨溫度變化,在TCXO晶振中,來自溫度傳感器所傳輸的信號用于產生校正電壓,該校正電壓施加到石英晶體網絡中的電壓可變電抗,電抗變化產生的頻率波動變化與溫度變化引起的頻率變化相等且相反,對于-55°C至+ 85°C的工作溫度范圍,良好的TCXO晶振可具有±1ppm的精度穩定性.而這個頻率的精度范圍足以說明信號的溫度穩定性.

頻率標準中使用的晶體的典型頻率與溫度(f與T)特性如圖1所示,基于處理晶體單元f與T特性的方法,三類石英晶體振蕩器為XO,TCXO和OCXO,(見圖2).簡單的XO不包含降低晶體f與T變化的方法,對于-55°C至+ 85°C的溫度范圍,典型的XO的f對T穩定性可以是±25ppm,在OCXO中,振蕩器電路的晶體單元和其他溫度敏感元件在烘箱中保持恒定溫度,制造的晶體具有f對T特性,其在烘箱溫度下具有零斜率.

為了在整個OCXO晶振的溫度范圍內保持穩定的烘箱溫度(沒有內部冷卻裝置),烘箱溫度選擇為高于OCXO的最高工作溫度。與晶體的f與T變化相比，OCXO可提供超過1000倍的改進,對于-55°C至+ 85°C的溫度范圍,良好的OCXO可具有優于±5x10-9的f對T穩定性,OCXO比TCXO需要更多功率,更大,成本更高,補償振蕩器的一個特例是微機補償晶體振蕩器(MCXO),MCXO克服了限制TCXO可達到的穩定性的兩個主要因素:測溫和晶體單元的穩定性.

作為溫度對頻率穩定性的影響的說明,圖3顯示了溫度對典型石英手表精度的影響。在手腕溫度附近,手表可以非常準確,因為石英晶體的頻率(即時鐘頻率)隨溫度變化很小,但是,當手表冷卻至-55°C或加熱至+100°C時,每天損失約20秒,因為石英表中使用的音叉晶體的典型頻率溫度系數為-0.035 ppm /°C2,為了減少f與T的變化,MCXO使用數字補償技術:在一個實現中刪除脈沖,在另一個實現中直接數字合成補償頻率,晶體的頻率不是"拉",這允許使用高穩定性(小C1)SC切割晶體單元.

晶體單元的靜態f對T特性主要由晶體板相對于石英晶振軸的切割角度確定,"靜態"意味著溫度變化的速度足夠慢,溫度梯度的影響可以忽略不計,作為圖1示出了用于AT切割,在切割的角度的微小變化可以顯著改變的F對比T特性,通過改變切割角度,可以在很寬的范圍內改變零溫度系數點"轉換點",SC切割晶體的f與T特性類似于圖1中所示的曲線,具有拐點溫度(Ti)轉移到約95°C,Ti的確切值取決于諧振器的設計.

影響振蕩器的一個重要因素是負載電容,當電容器與晶體電阻串聯連接時,負載電容的溫度系數可以大大放大旋轉.其他影響石英晶體振蕩器單元溫度特性的因素包括泛音,晶體板的幾何形狀,電極的大小,形狀,厚度,密度和應力,驅動方式,石英材料中的雜質和應變,安裝結構中的應力,干擾模式,電離輻射,溫度變化率,歷史記載其中的因素對于OCXO晶振和TCXO晶振的行為更為重要.