维多利亚老品牌值得信赖(集团)公司官方网站

石英晶体振荡器广泛用作各种电子系统中的频率和时间标准。虽然石英晶体振荡器非常适合于任务，但在要求苛刻的应用中的最佳性能，如同任何精密器件一样，需要深入了解器件特质。

衰老是振荡器的长期频率漂移。虽然精心设计和制造可以最大限度地减少运输时的老化，但振荡器的使用寿命会持续老化，并受到断电存储的环境和持续时间的影响。本文重点介绍了造成老化的物理过程，并解释了为何在进行断电存储后，在振荡器频率调整之前强烈建议重新稳定时间。

老龄化有两个基本原因。首先，石英晶体谐振器的频率受电极质量的强烈影响。电极或石英毛坯表面的污染增加了谐振器质量，从而降低了谐振频率。水蒸气是这种污染的罪魁祸首，尽管氧气和碳氢化合物也会引起问题。用于将谐振器安装在其外壳中的导电粘合剂的除气也是一个因素。结晶石英和金属电极都是亚微观尺度的多孔，有大量的小空腔，含有污染物。污染始终存在于某种程度，但生产过程如臭氧清洗，高温真空烘烤，以及使用硬真空可以将污染影响降至几乎可以忽略的程度。

如果污染物保留在原位，污染就不会成为问题。不幸的是，新晶体上的污染，特别是安装在高温下操作的恒温晶体振荡器中的晶体，在蒸发，吸附，冷凝和机械加速的影响下移动。结果，新的振荡器迅速老化，直到污染物运动稳定。

机械应力是振荡器老化的第二个原因。晶体是原子的有序晶格，其形状与原子间距一起决定了晶体的物理性质，如介电常数和弹性。许多这些特性影响共振频率。机械应力使原子晶格变形，稍微改变原子间距，从而稍微改变晶体的物理性质。如果受到应力的晶格恰好是石英晶体谐振器，则结果是谐振频率略有变化。因此，AT切割谐振器暴露于机械应力移位频率。双旋转晶体（例如IT切割或SC切割）部分地受到应力补偿，并且受到应力的影响较小。因此，双重旋转切割的再稳定时间较短，但这些谐振器制造起来要困难得多，并且比普通的AT切割谐振器更昂贵。

石英晶体谐振器中的应力有很多来源;来自安装夹的弹簧作用的安装应力，导电粘合剂在设定时的收缩，来自制造期间的切割和研磨操作的残余应力以及差异的热膨胀和收缩。最后一个因素在烘箱振荡器中特别有意义，因为每次施加功率时晶体从室温加热到约80℃，并且因为晶体石英中的热膨胀系数在每个轴上是不同的。

由于石英传导热量很差，热梯度很陡并且消散得很慢。当谐振器的边缘与安装夹接触时，过热的AT切割谐振器在预热期间会受到强烈的应力引起的频率瞬变。比中心。这个瞬态在图中可见，因为在开启后4到5分钟出现了尖锐的频率下冲。刚刚开启后新振荡器中的残余应力达到最大值，在操作的前几天缓慢放松，直到达到平衡条件。

对于新的振荡器，来自污染物再分配和应力松弛的频率变化高达每天十亿分之几。 VECTRON晶振的标准做法是燃烧或老化新的振荡器，同时持续监测频率，直到日常老化速率稳定。所需的时间取决于振荡器频率和晶体切割以及指定的老化速率。典型的老化持续时间从不到一周到几周不等。

当一个新的“老化”振荡器关闭时会发生什么？当冷却时，静电振荡器重新获得机械应力，应力的大小是炉温和环境温度之差的函数。尽管在较低温度下应力松弛率大大降低，但这种应力最终会消失。

当振荡器关闭时，污染物开始再次向新的平衡状态移动。如前所述，在较低温度下重新分配的速度要小得多。如果断电时间很短，并且存储温度适中，则振荡器将恢复到接近于在短暂预热期后在装运时测量的老化速率。实际频率接近 - 但不相同 - 由于滞后并且因为在断电期间老化持续，但不一定是相同的速率。

延长的断电间隔，或（根据对受试者的一些参考）在断电间隔期间暴露于极端温度允许更大程度的应力松弛和污染物重新分布。在这种情况下，在原始生产老化期间获得的一些老化稳定性丢失。因此，当重新施加功率时，需要更长的再稳定时间来达到先前的老化速率。重建期间有所不同。 24小时后对三次泛音AT切割恒温振荡器的再稳定化表示非应力补偿晶体的非常好的性能。甚至少量晶体污染的存在将显着延长再稳定期。

这在实践中意味着什么？首先，如果可能的话，应该持续为恒温振荡器供电。如果电源中断是不可避免的，请注意振荡器将比正常预热需要一些时间才能恢复到先前的老化速率，并且由于老化和滞后，不太可能返回到完全相同的频率。 AT切割谐振器的迟滞不太可能比10-8中的几个部分好得多。重新稳定期间的频率调整不是一个好主意。凭借其设计精密恒温振荡器的丰富经验，Vectron晶振能够协助确定适当的再稳定期，特别是在断电期超过几天且需要更长的再稳定期的情况下。

诸如晶体振荡器之类的信号源在输出频率附近产生一小部分不希望的能量（相位噪声）。 随着通信和雷达等系统性能的提高，它们采用的晶体振荡器的频谱纯度越来越重要。

在频域中测量相位噪声，并且表示为在与期望信号的给定偏移处的1Hz带宽中测量的信号功率与噪声功率的比率。在所需信号的各种偏移处的响应图通常由对应于振荡器中的三个主要噪声产生机制的三个不同斜率组成，如图1所示。相对靠近载波（区域A）的噪声称为闪烁FM噪声;其大小主要取决于晶体的质量。 最佳近距离噪声结果是在4-6 MHz范围内使用5次泛音AT切割晶体或第3次泛音SC切割晶体获得的。虽然平均效果不是很好，但使用10 MHz区域中的3个泛音晶体也可以获得出色的近距离噪声性能，尤其是双旋转型（参见第41页，有关双旋转SC和IT切割晶体的讨论）。较高频率的晶体由于其较低的Q值和较宽的带宽而导致较高的近距噪声。

图1中B区的噪声称为“1 / F”噪声，是由半导体活动引起的。采用低噪声“L2”晶体振荡器的设计技术将其限制在非常低的，通常无关紧要的值。

图1的区域C称为白噪声或宽带噪声。 “L2”晶体振荡器中的特殊低噪声电路相对于标准设计提供了显着的改进（15-20 dB）。

当采用倍频从较低频率的石英晶体获得所需的输出频率时，输出信号的相位噪声增加20 log（倍增因子）。这导致整个电路板上的噪声降低大约为6 dB，用于倍频，10 dB用于频率三倍，20 dB用于十倍乘法。

如图2所示，对于不采用倍频的振荡器，本底噪声几乎与晶体频率无关。因此，对于低噪声地板应用，通常应使用满足长期稳定性要求的最高频率晶体。然而，当较高频率的应用特别需要最小的近端相位噪声时，较低频率的晶体通常可以成倍增加。这是因为近距离相位噪声比使用更高频率晶体获得的噪声性能更不成比例地好。

请注意，与固定频率非补偿晶体振荡器相比，TCXO和VCXO产品中常用的变容二极管和中等Q晶体的引入导致较差的近距离噪声性能。

相位噪声测试

相位噪声测试通过确定在指定输出频率下由振荡器传递的所需能量与在相邻频率传递的不需要的能量的比率来表征振荡器的输出频谱纯度。 该比率通常表示为在来自载波的各种偏移频率下执行的一系列功率测量。功率测量被标准化为1Hz带宽并且相对于载波功率电平表示。 这是NIST技术说明1337中描述的标准相位波动测量，称为l（f）。

图3示出了由NIST建议并由Vectron晶振用于测量l（f）的方法的框图。来自两个相同标称频率的振荡器的信号被施加到混频器输入。除非振荡器具有出色的稳定性，否则一个振荡器必须具有用于锁相的电子调谐。非常窄的频带锁相环（PLL）用于在这两个源之间保持90度的相位差。混频器操作使得当输入信号异相90度（正交）时，混频器的输出是与两个振荡器之间的相位差成比例的小波动电压。通过在频谱分析仪上检查该误差信号的频谱，可以测量这对振荡器的相位噪声性能。如果一个振荡器的噪声占主导地位，则直接测量其相位噪声。当两个测试振荡器电气相似时，有用且实用的近似是每个振荡器贡献测量噪声功率的一半。当三个或更多个振荡器可用于测试时，可以通过求解表示从振荡器对的置换测量的数据的联立方程来精确地计算每个振荡器的相位噪声。

图4显示了实际的l（f）测量系统。 使用该系统测量相位噪声的步骤如下：

1.频谱分析仪屏幕的校准。

2.Phase锁定振荡器并建立正交。

3.记录频谱分析仪读数并将读数标准化为每个振荡器的dBc / Hz SSB。

这些步骤详述如下。

第一步 - 校准

为避免混频器饱和，一个振荡器的信号电平会被10 dB衰减（衰减器“A”）永久衰减。在校准期间，此振荡器的电平额外衰减80 dB（衰减“B”），以改善频谱分析仪的动态范围。振荡器在频率上是机械偏移的，并且所得到的低频差拍信号的幅度表示-80dB的水平;它是所有后续测量的参考。使用扫频分析仪时，此电平调整到频谱分析仪屏幕的顶行。使用数字（FFT）频谱分析仪时，仪器经过校准，可读取相对于此电平的RMS VOLTS /√Hz。当完全电平恢复到混频器并且振荡器被锁相时，将相对于-80dB电平测量相位噪声。

第二步 - 锁相

通过将振荡器机械地调节到相同的频率，振荡器被锁相到正交。当混频器输出为0 Vdc时，指示两个振荡器之间所需的90度相位差。临时连接到频谱分析仪的示波器或零中心电压表是监测正交进度的便捷方式。 PLL的工作带宽必须远低于感兴趣的最低偏移频率，因为PLL部分地抑制了其带宽中的相位噪声。广泛使用的建立适当环路带宽的经验方法是通过衰减器“C”逐步衰减电压控制反馈。通过在推进衰减器“C”的同时比较感兴趣的最低偏移频率处的连续噪声测量，可以找到操作点，其中测量的相位噪声不受衰减器设置的变化的影响。此时，环路带宽不是测量的相位噪声的因子。

第三步 - 读物

读数是根据先前在步骤1中建立的-80dB校准水平进行的。如果频谱分析仪配备齐全以避免测量变化，则使用平滑或平均。 扫描频谱分析仪读数通常需要进行以下每项校正，而以RMS /√Hz显示的数字分析仪读数不需要前两次校正。有关分析仪噪声响应的校正，应参考分析仪手册。