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有源晶振表現(xiàn)的各種不穩(wěn)定性
來(lái)源：http://www.jqhs.com.cn 作者：康比電子 2019年03月20
從簡(jiǎn)單的XO到銫束頻率標(biāo)準(zhǔn),可商購(gòu)的頻率源覆蓋幾個(gè)數(shù)量級(jí)的精度范圍,隨著精度的提高,功率要求,尺寸和成本也會(huì)增加.精度和功率要求之間的關(guān)系.準(zhǔn)確度與成本的關(guān)系類(lèi)似,有源晶振振蕩器的頻率是另一個(gè)重要的考慮因素,因?yàn)檫x擇會(huì)對(duì)成本和性能產(chǎn)生重大影響.在其他條件相同的情況下,標(biāo)準(zhǔn)頻率的振蕩器,例如5MHz或10MHz,制造商已經(jīng)建立了完善的設(shè)計(jì),其成本將低于異常頻率之一.下面康比電子給大家介紹關(guān)于有源晶振的老化及表現(xiàn)的各種不穩(wěn)定性.
振蕩器表現(xiàn)出各種不穩(wěn)定性.這些包括老化,噪聲和頻率隨溫度,加速度,電離輻射,電源電壓等的變化.術(shù)語(yǔ)精度,穩(wěn)定性和精度通常用于描述振蕩器的不穩(wěn)定性質(zhì)量.圖1說(shuō)明了射手和頻率源的這些術(shù)語(yǔ)的含義.(對(duì)于神射手,每個(gè)彈孔與目標(biāo)中心的距離是"測(cè)量".)
再現(xiàn)性是單頻標(biāo)準(zhǔn)在每次投入運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生相同頻率而無(wú)需調(diào)整的能力.從用戶(hù)的角度來(lái)看,一旦校準(zhǔn)了頻率標(biāo)準(zhǔn),再現(xiàn)性就具有與有源晶振精度相同的優(yōu)點(diǎn).穩(wěn)定性描述了作為諸如時(shí)間,溫度,沖擊等參數(shù)的函數(shù)的變化量.精度是指一組樣品的給定測(cè)量值與該組的平均值一致的程度.(該術(shù)語(yǔ)的相關(guān)含義用作儀器質(zhì)量的描述,如"精密儀器".在這種情況下,含義通常被定義為準(zhǔn)確和精確,盡管精密儀器也可能不準(zhǔn)確,精確,在這種情況下儀器需要校準(zhǔn).)
"老化"和"漂移"偶爾在文獻(xiàn)中可互換使用.但是,國(guó)際無(wú)線電咨詢(xún)委員會(huì)(CCIR)認(rèn)識(shí)到"對(duì)頻率和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的明確規(guī)范和描述需要通用術(shù)語(yǔ)",于1990年采用了術(shù)語(yǔ)和定義詞匯表[16].根據(jù)該術(shù)語(yǔ)表,老化是"由于石英晶體振蕩器內(nèi)部變化導(dǎo)致的頻率隨時(shí)間的系統(tǒng)變化",漂移是"振蕩器頻率隨時(shí)間的系統(tǒng)變化."漂移是由于老化加上環(huán)境的變化以及振蕩器外部的其他因素.衰老,而不是漂移,是規(guī)范文件中表示的,以及在振蕩器評(píng)估期間測(cè)量的內(nèi)容.漂移是人們?cè)趹?yīng)用程序中觀察到的.例如,航天器中振蕩器的漂移可能是由于輻射,航天器中的溫度變化和電源變化引起的老化和頻率變化(代數(shù)和).
老齡化可能是積極的還是消極的[17].偶爾會(huì)觀察到老化方向的逆轉(zhuǎn).在恒定溫度下,老化通常具有與時(shí)間近似的對(duì)數(shù)依賴(lài)性.典型的(計(jì)算機(jī)模擬的)老化行為如圖16所示,其中A(t)是對(duì)數(shù)函數(shù),B(t)是相同的函數(shù)但具有不同的系數(shù).顯示反轉(zhuǎn)的曲線是其他兩條曲線的總和.逆轉(zhuǎn)表明存在至少兩種老化機(jī)制.振蕩器的老化率在首次打開(kāi)時(shí)最高.當(dāng)晶體單元的溫度改變時(shí)(例如,當(dāng)OCXO關(guān)閉并且稍后打開(kāi)時(shí)),開(kāi)始新的老化循環(huán).(有關(guān)溫度循環(huán)影響的其他討論,請(qǐng)參閱下面有關(guān)滯后和回掃的部分.)
振蕩器表現(xiàn)出各種不穩(wěn)定性.這些包括老化,噪聲和頻率隨溫度,加速度,電離輻射,電源電壓等的變化.術(shù)語(yǔ)精度,穩(wěn)定性和精度通常用于描述振蕩器的不穩(wěn)定性質(zhì)量.圖1說(shuō)明了射手和頻率源的這些術(shù)語(yǔ)的含義.(對(duì)于神射手,每個(gè)彈孔與目標(biāo)中心的距離是"測(cè)量".)
圖1射手,頂部和頻率源底部的精度,穩(wěn)定性和精度示例.
晶振準(zhǔn)確度是指給定測(cè)量值或一個(gè)樣本的一組測(cè)量值的平均值與被測(cè)量量的定義一致的程度.它是數(shù)量的"正確性"程度.頻率標(biāo)準(zhǔn)具有不同程度的準(zhǔn)確性.時(shí)間和頻率單位的國(guó)際系統(tǒng)(SI)(分別為秒和Hz)是在實(shí)驗(yàn)室中使用稱(chēng)為主要標(biāo)準(zhǔn)的非常精確的頻率標(biāo)準(zhǔn)獲得的.主要標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行頻率可根據(jù)第二種SI的SI定義計(jì)算:"9,192,631,770個(gè)輻射周期的持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)于銫原子133"基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)水平之間的過(guò)渡.再現(xiàn)性是單頻標(biāo)準(zhǔn)在每次投入運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生相同頻率而無(wú)需調(diào)整的能力.從用戶(hù)的角度來(lái)看,一旦校準(zhǔn)了頻率標(biāo)準(zhǔn),再現(xiàn)性就具有與有源晶振精度相同的優(yōu)點(diǎn).穩(wěn)定性描述了作為諸如時(shí)間,溫度,沖擊等參數(shù)的函數(shù)的變化量.精度是指一組樣品的給定測(cè)量值與該組的平均值一致的程度.(該術(shù)語(yǔ)的相關(guān)含義用作儀器質(zhì)量的描述,如"精密儀器".在這種情況下,含義通常被定義為準(zhǔn)確和精確,盡管精密儀器也可能不準(zhǔn)確,精確,在這種情況下儀器需要校準(zhǔn).)
"老化"和"漂移"偶爾在文獻(xiàn)中可互換使用.但是,國(guó)際無(wú)線電咨詢(xún)委員會(huì)(CCIR)認(rèn)識(shí)到"對(duì)頻率和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的明確規(guī)范和描述需要通用術(shù)語(yǔ)",于1990年采用了術(shù)語(yǔ)和定義詞匯表[16].根據(jù)該術(shù)語(yǔ)表,老化是"由于石英晶體振蕩器內(nèi)部變化導(dǎo)致的頻率隨時(shí)間的系統(tǒng)變化",漂移是"振蕩器頻率隨時(shí)間的系統(tǒng)變化."漂移是由于老化加上環(huán)境的變化以及振蕩器外部的其他因素.衰老,而不是漂移,是規(guī)范文件中表示的,以及在振蕩器評(píng)估期間測(cè)量的內(nèi)容.漂移是人們?cè)趹?yīng)用程序中觀察到的.例如,航天器中振蕩器的漂移可能是由于輻射,航天器中的溫度變化和電源變化引起的老化和頻率變化(代數(shù)和).
老齡化可能是積極的還是消極的[17].偶爾會(huì)觀察到老化方向的逆轉(zhuǎn).在恒定溫度下,老化通常具有與時(shí)間近似的對(duì)數(shù)依賴(lài)性.典型的(計(jì)算機(jī)模擬的)老化行為如圖16所示,其中A(t)是對(duì)數(shù)函數(shù),B(t)是相同的函數(shù)但具有不同的系數(shù).顯示反轉(zhuǎn)的曲線是其他兩條曲線的總和.逆轉(zhuǎn)表明存在至少兩種老化機(jī)制.振蕩器的老化率在首次打開(kāi)時(shí)最高.當(dāng)晶體單元的溫度改變時(shí)(例如,當(dāng)OCXO關(guān)閉并且稍后打開(kāi)時(shí)),開(kāi)始新的老化循環(huán).(有關(guān)溫度循環(huán)影響的其他討論,請(qǐng)參閱下面有關(guān)滯后和回掃的部分.)
圖2.計(jì)算機(jī)模擬的典型老化行為;其中A(t)和B(t)是具有不同系數(shù)的對(duì)數(shù)函數(shù).
有源晶振老化的主要原因是晶體單元的安裝結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力消除,由于污染物的吸附或解吸,諧振器表面的質(zhì)量傳遞,振蕩器電路的變化,以及可能的石英材料的變化.因?yàn)楹穸燃羟芯w單元(例如AT切割或SC切割)的頻率與晶體板的厚度成反比,并且因?yàn)榈湫偷?-MHz板大約為1百萬(wàn)原子如果層厚,則相當(dāng)于一個(gè)原子石英晶振層質(zhì)量的污染物的吸附或解吸使頻率改變約1ppm.因此,為了實(shí)現(xiàn)低老化,必須在超潔凈,超高真空環(huán)境中制造晶體單元并密封.截至1992年,對(duì)于廉價(jià)的XO,典型市售晶體振蕩器的老化速率為每年5ppm至10ppm,TCXO為每年0.5ppm至2ppm,OCXO為每年0.05ppm至0.1ppm.最高精度的OCXO晶振可以在10中老化幾個(gè)部分每天12次,即每年少于0.01ppm.
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