現代電子設備將時基用于各種各樣的應用.通信系統依賴時基來調制和解調數據,GPS系統依賴時基來精確定位,許多其他應用依賴時基來管理系統內的數據流.隨著應用范圍的擴大和頻率的增加,設計者需要穩定性更強,噪聲更低的時基.因此,石英晶體振蕩器設計者需要不斷推動嚴格穩定性,低噪聲振蕩器設計的極限.
振蕩器設計者面臨的主要問題之一是相位噪聲現象.相位噪聲是存在于所有真實世界振蕩器和信號發生器中的不希望有的實體.在傳統接收機中,它會導致輸入信息的失真或完全丟失,在相位調制應用中,它會導致高誤碼率.因此,有必要了解和量化相位噪聲,以使其對高級產品的影響最小化.
時間是一個所有人天生就掌握的概念,是生命的函數.它將我們的世界定義為日,月,年.當我們看時鐘時,我們知道現在是什么時候.然而,我們真的理解時間嗎?它是如何定義的?像所有測量一樣,時間是用一定程度的不確定度來測量的.在工程上應用程序我們使用本質上不完美的時間基礎,并且給由它們驅動的應用程序增加了不確定性.這種不確定性的一個副產品是相位噪聲.每個有源晶振中存在的固有不穩定性表現為圍繞振蕩器頻率的噪聲頻譜.這個噪聲帶通常從載波測量到距離載波1兆赫茲.它被描繪成dBc/Hz對f(Hz)的曲線圖,該曲線圖顯示了給定頻率下噪聲功率離載波功率有多遠.
■時基
作為工程師,我們習慣于查看我們的頻率計數器,并讀取顯示屏來確定我們工作的頻率.但是這種測量的精確度是多少?測量的不確定性取決于計數器用來驅動內部電路的時基的準確性.這個時基并不完美,因此會扭曲頻率讀數的結果.對于那些需要非常精確頻率測量的應用來說,這個時基的準確性是最重要的.
IME,就像其他人做的測量一樣,具有不確定性.然而,時間是人類產生的最準確的標準.第二個定義為銫133(Cs-133)的共振頻率,為9,192,631,770Hz[8].
因此,通過測量銫的振動,我們有了時間標準.(32.768K則是給時鐘提供信號)為NIST(國家標準與技術研究所)是美國時間標準的守護者.截至2005年,NIST標準具有5X10-16S的不確定性,這意味著它在6000萬年內不會增加或減少一秒,[9].
銫原子鐘盡管精度高,但有幾個缺點,使其不適合商業電子用途.銫標準的成本對于將其用作時間基準來說是令人望而卻步的.其次,它們很大.NIST標準填充了房間的大部分空間,雖然較小的銫標準是可以買到的,但它們不是便攜式物品.此外,銫標準有預熱時間.保持它通電很重要,因為斷電可能意味著精度下降.最后,銫標準使用燃料——銫自然會耗盡,使裝置有效地“耗盡氣體”.
由于銫不能有效地用于商業電子產品或大多數實驗室應用,因此必須考慮其他定時源.銣提供了非常精確的頻率計數,類似于銫,但是它也有同樣的缺陷.銣標準只比銫稍差一點,因此它們的相關成本很高.它們不是便攜式設備,必須在固定位置.銣標準也有和銫一樣的燃料耗盡問題.
大多數消費電子產品的選擇是石英晶體振蕩器.石英通過壓電效應工作.施加在晶體上的電壓使其以非常穩定和可預測的方式振動.通過切割和成形石英,可以獲得期望的振蕩頻率.
石英有許多優點:它便宜(與銫和銣相比),體積小(可以獲得小于3225晶振的封裝尺寸的晶體),并且具有高Q(>500K用于較大的坯件).幾十年來,石英一直是計時設備的選擇..
■石英晶體振蕩器
晶體振蕩器有多種類型,形狀和尺寸.XOs(晶體振蕩器)是石英晶振和驅動電路.這些裸骨時鐘價格便宜,體積小,但精度有限,因為晶體會在溫度上以大約+/-30ppm的頻率漂移.
TCXOs(溫控晶體振蕩器)使用補償電壓來校正晶體的自然溫度漂移.這是通過傳統的熱敏電阻網絡或多項式發生器來實現的.TCXOs在溫度范圍內穩定性更強(+/-0.25pm),體積小(可用2.0mMx2.5mm),功耗低(在某些情況下為2mA).
MCXOs(微處理器控制的晶體振蕩器)使用微處理器來校正晶體的自然溫度漂移,方法是檢測工作溫度,并使用該數據來校正振蕩器的頻率.這些振蕩器可以實現+/-0.1pm的溫度穩定性,但具有略大的占地面積,消耗更多的功率,并且由于振蕩器中運行的微處理器而具有降級的噪聲特性.
CxOS(烘箱控制晶體振蕩器)和DoCxOS(雙烘箱控制晶體振蕩器)提供石英晶體振蕩器必須提供的最大穩定性.通過加熱內部電路,晶體保持在幾乎恒定的溫度,幾乎消除了晶體的自然溫度漂移.零件在10-10℃溫度下的穩定性是可以實現的,但是要權衡封裝占地面積(至少1平方英寸)和功耗(可能超過1A).
盡管Q值很高,石英晶體振蕩器并不完美.理想情況下,正弦振蕩器會產生等式1中的電壓:
其中Vo是振幅,F0是頻率,t是時間.
然而,現實世界中的振蕩器有一些振幅波動和相位波動,其行為與等式2[4]相同.
其中Vo是振幅,F0是頻率,t是時間, (t)是振幅波動,(t)是相位波動.
振蕩器的頻率受到幾個因素的影響:溫度,長期漂移和短期不穩定性.石英對溫度非常敏感,在晶振的溫度范圍內,頻率通常在+/-30ppm之間漂移.長期漂移,也稱為老化,是石英的一種自然現象,眾所周知.老化特性定義為:
其中t是以天為單位的時間,A,B和F0是由最小二乘擬合確定的常數(根據MIL-PRF-55310D)[7]
從圖1中可以看出,石英晶體諧振器的老化特性是隨時間變慢的函數.這意味著振蕩器的頻率漂移將隨著時間的推移而減小.就長期表現而言,這是一個理想的效果.振蕩器會漂移,但是變化速率會變慢,振蕩器實際上會變得更加穩定.
短期穩定性或Allan方差(AVAR)是對振蕩器短期頻率變化的測量.一般來說,AVAR是相對于特定的選通時間來指定的.例如,可以選擇20毫秒的選通時間,取100個樣本并應用于以下公式:
其中f(I)-f(I-1)是連續頻率測量值之間的差值(MIL-PRF-55310D).[7]
結果讓我們感覺到振蕩器在給定的選通時間從讀到讀有多穩定.通過延長選通時間,振蕩器的Allan方差減小,表明它在較長的平均周期內更加穩定.
低相躁的石英晶體振蕩器采用獨特的設計技術,專注于低溫相位和溫度下的緊密頻率穩定性,并為通信和國防應用提供出色的長期特性.如抖動,抖動會影響數字調制質量,導致誤碼率增加.性能高雷達系統依賴于檢測來自目標的極微弱返回信號,并且這些信號很容易被接收器本地振蕩器的相位噪聲屏蔽.選擇合適的低相位噪聲晶體振蕩器對于確保整個系統和應用的性能和可靠性至關重要.
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