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石英晶体振荡器的比较和选择

来源：http://konuaer.net 作者：康华尔电子 2019年06月22

性能比较高的石英晶体振荡器,是应用比较广泛的频率控制元器件,主要材料是石英和水晶,具有优良的压电效应,可输出稳定的时钟源信号.随着封装尺寸越做越小,越来越多的用户注意这种电子零件.以下讨论适用于宽温度范围的频率标准(即,设计为在跨越至少90°C的温度范围内工作的标准).在比较窄的温度范围内操作的实验室装置可以具有比下面的比较中更好的稳定性.
商用频率源的精度范围可达几个数量级-从简单的XO到铯束频率标准.随着精度的提高,功率要求,尺寸和成本也会增加.例如,图34显示了精度和功率要求之间的关系.准确度与成本的关系类似,从简单的XO约为1美元到铯标准约为40,000美元(1991年的价格).表1显示了频率标准的显着特征的比较.图35显示了短期频率稳定性范围与平均时间函数的比较.图36显示了相位噪声特性的比较,表2显示了弱点和磨损机制的比较.

图1.精度和功率要求之间的关系(XO=简单晶体振荡器;TCXO=温补晶体振荡器;OCXO=恒温晶体振荡器;Rb=铷频率标准;Cs=铯束频率标准).

图2.稳定性作为频率标准的平均时间比较的函数.

图3.频率标准的相位不稳定性比较.

*包括环境影响(请注意,Rb和Cs的温度范围比石英窄).
表1.频率标准的显着特征的比较.

表2.频率标准的弱点和磨损机制的比较

表1中提供了原子振荡器的特性:铷和铯频率标准以及铷-晶体振荡器(RbXO).在原子频率标准中,输出信号频率由两个原子态之间的能量差决定,而不是由散装材料的某些性质决定(因为它在石英振荡器中).,直到1983年.RbXO是一种设备,适用于功率可用性有限但需要原子频率标准精度的应用.
它由铷频率标准,低功率和高稳定性石英振荡器以及将晶体振荡器的频率调整为铷标准的控制电路组成.铷标准物周期性地(例如,每周一次)开启几分钟,使其预热并校正晶体振荡器的频率.使用RbXO,可以满足铷标准的长期稳定性和晶体振荡器的低(平均)功率要求.每周一次)几分钟它需要预热并校正晶体振荡器的频率.使用RbXO,可以满足铷标准的长期稳定性和晶体振荡器的低(平均)功率要求.每周一次)几分钟它需要预热并校正晶体振荡器的频率.使用RbXO,可以满足铷标准的长期稳定性和晶体振荡器的低(平均)功率要求.
选择振荡器时要回答的主要问题包括:
系统正常运行需要什么频率精度或可重复性？
这种精度必须保持多长时间,即有源晶振是否需要定期校准或更换,还是振荡器必须保持系统寿命所需的精度？
是否有足够的电源,或振荡器是否必须使用电池供电？
允许的热身时间是多少？
振荡器必须运行的极端环境是什么？
什么是短期稳定性(相位噪声)要求？
大小限制是什么？
关于第二个问题,最小化成本是什么:初始购置成本还是生命周期成本？通常,重新校准的成本远远高于可以提供无校准寿命的石英晶体振荡器的额外成本.更好的振荡器也可以简化系统的设计.
振荡器的频率是另一个重要的考虑因素,因为选择会对成本和性能产生重大影响.在其他条件相同的情况下,标准频率的振荡器,例如5MHz或10MHz,制造商已经建立了完善的设计,其成本将低于异常频率之一,例如8.34289MHz.此外,对于厚度剪切晶体,如AT切割和SC切割,频率越低,老化越低.由于在低于5MHz的频率下,厚度剪切晶体变得太大而不能经济地制造,并且由于所有最高稳定性的振荡器都使用厚度剪切晶体,因此商用振荡器的最高稳定性频率为5MHz.
这种振荡器还具有靠近载波的最低相位噪声能力.市场上也有一些优秀的10MHz振荡器;然而,频率高于10MHz的振荡器具有比5MHz振荡器高得多的老化速率和接近载波的相位噪声水平.对于远离载波的最低相位噪声,其中信噪比决定噪声水平,较高频率的晶体(例如,100MHz)可以提供较低的噪声,因为这种晶振可以容忍更高的驱动电平,从而允许更高的信号电平.与5MHz振荡器相比,频率高于10MHz的振荡器具有明显更高的老化速率和接近载波的相位噪声水平.
对于远离载波的最低相位噪声,其中信噪比决定噪声水平,较高频率的晶体(例如,100MHz)可以提供较低的噪声,因为这种晶体可以容忍更高的驱动电平,从而允许更高的信号电平.与5MHz振荡器相比,频率高于10MHz的振荡器具有明显更高的老化速率和接近载波的相位噪声水平.对于远离载波的最低相位噪声,其中信噪比决定噪声水平,较高频率的晶体(例如,100MHz)可以提供较低的噪声,因为这种石英晶振可以容忍更高的驱动电平,从而允许更高的信号电平.

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