探索石英晶振的静态状况与温度系数

石英晶振单元的共振频率随温度变化,在TCXO晶振中,来自温度传感器所传输的信号用于产生校正电压,该校正电压施加到石英晶体网络中的电压可变电抗,电抗变化产生的频率波动变化与温度变化引起的频率变化相等且相反,对于-55°C至+ 85°C的工作温度范围,良好的TCXO晶振可具有±1ppm的精度稳定性.而这个频率的精度范围足以说明信号的温度稳定性.

频率标准中使用的晶体的典型频率与温度(f与T)特性如图1所示,基于处理晶体单元f与T特性的方法,三类石英晶体振荡器为XO,TCXO和OCXO,(见图2).简单的XO不包含降低晶体f与T变化的方法,对于-55°C至+ 85°C的温度范围,典型的XO的f对T稳定性可以是±25ppm,在OCXO中,振荡器电路的晶体单元和其他温度敏感元件在烘箱中保持恒定温度,制造的晶体具有f对T特性,其在烘箱温度下具有零斜率.

为了在整个OCXO晶振的温度范围内保持稳定的烘箱温度(没有内部冷却装置),烘箱温度选择为高于OCXO的最高工作温度。与晶体的f与T变化相比，OCXO可提供超过1000倍的改进,对于-55°C至+ 85°C的温度范围,良好的OCXO可具有优于±5x10-9的f对T稳定性,OCXO比TCXO需要更多功率,更大,成本更高,补偿振荡器的一个特例是微机补偿晶体振荡器(MCXO),MCXO克服了限制TCXO可达到的稳定性的两个主要因素:测温和晶体单元的稳定性.

作为温度对频率稳定性的影响的说明,图3显示了温度对典型石英手表精度的影响。在手腕温度附近,手表可以非常准确,因为石英晶体的频率(即时钟频率)随温度变化很小,但是,当手表冷却至-55°C或加热至+100°C时,每天损失约20秒,因为石英表中使用的音叉晶体的典型频率温度系数为-0.035 ppm /°C2,为了减少f与T的变化,MCXO使用数字补偿技术:在一个实现中删除脉冲,在另一个实现中直接数字合成补偿频率,晶体的频率不是"拉",这允许使用高稳定性(小C1)SC切割晶体单元.

晶体单元的静态f对T特性主要由晶体板相对于石英晶振轴的切割角度确定,"静态"意味着温度变化的速度足够慢,温度梯度的影响可以忽略不计,作为图1示出了用于AT切割,在切割的角度的微小变化可以显著改变的F对比T特性,通过改变切割角度,可以在很宽的范围内改变零温度系数点"转换点",SC切割晶体的f与T特性类似于图1中所示的曲线,具有拐点温度(Ti)转移到约95°C,Ti的确切值取决于谐振器的设计.

影响振荡器的一个重要因素是负载电容,当电容器与晶体电阻串联连接时,负载电容的温度系数可以大大放大旋转.其他影响石英晶体振荡器单元温度特性的因素包括泛音,晶体板的几何形状,电极的大小,形状,厚度,密度和应力,驱动方式,石英材料中的杂质和应变,安装结构中的应力,干扰模式,电离辐射,温度变化率,历史记载其中的因素对于OCXO晶振和TCXO晶振的行为更为重要.