石英晶體的電子學應用

頻率控制設備市場

（估計數，截至2006年）

導航

精確的時間對于精確的導航至關重要。從歷史上看，導航一直是人類尋找更好時鐘的主要動力。即使在古代，一個可以通過觀測恒星的位置來測量緯度。然而，為了確定經度，問題變成了時間問題。由于地球在24小時內自轉一周，因此可以從當地時間（根據太陽位置確定）和格林尼治時間之間的時差來確定經度子午線（由時鐘決定）：

經度（度）=（360度/24小時）x t（小時）。

1714年，英國政府向第一位

一個人制作一個時鐘，在六周的航行結束時，可以確定船只的經度為30海里（即時鐘精度為3每天幾秒鐘）。1735年，英國人約翰·哈里森憑借他的天文鐘發明贏得了比賽。

今天的電子導航系統仍然需要更高的精度。As電磁波每微秒傳播300米，例如，如果船只的計時誤差為1毫秒，將導致300公里的導航誤差。在全球定位系統（GPS）中，衛星中的原子鐘和接收器中的石英振蕩器提供納秒級的精度。結果（全球）導航精度約為10米（有關GPS的更多詳細信息，請參閱第8章）。

商業雙向電臺

從歷史上看，隨著商用雙向無線電的用戶數量已經增長，通道間距變窄，甚至更高-必須分配頻譜以適應需求。更窄的信道間隔和更高的工作頻率要求發射機和接收機都有更嚴格的頻率容差。1940年，當時只有幾千個商業廣播在使用變送器時，500ppm的公差就足夠了。如今，數以百萬計的蜂窩電話（工作在800MHz以上的頻帶）中的振蕩器必須保持2.5ppm或更高的頻率容限。896-901 MHz和935-940 MHz移動無線電頻帶要求基站的頻率容限為0.1 ppm，移動站的頻率容限時為1.5 ppm。

容納更多用戶的需求將繼續要求越來越高的頻率精度。例如，美國國家航空航天局的個人衛星通信系統概念將使用對講機，如手持終端、30GHz上行鏈路、20GHz下行鏈路和10kHz信道間隔。終端的頻率精度要求是108中的幾個部分.

模擬信號的數字處理定時抖動的影響

數字網絡同步

?同步在數字電信系統中起著至關重要的作用。它確保在最小的緩沖區溢出或下溢事件下執行信息傳輸，即在可接受的“滑動”水平下。滑動會導致問題，例如傳真傳輸中的線路缺失、語音傳輸中的點擊、安全語音傳輸中加密密鑰的丟失以及數據重傳。

?例如，在AT&T的網絡中，定時是按節點層次分布的。在包含時鐘的成對節點之間建立定時源-接收器關系。時鐘有四種類型，分為四個“層次”

PLL和PSK系統中的相位噪聲

當使用相移鍵控（PSK）數字調制時，振蕩器的相位噪聲會導致對相變的錯誤檢測，即比特誤差。例如，在數字通信中，使用8相PSK時，最大相位容差為±22.5o，其中±7.5o是典型的允許載波噪聲貢獻。由于相位偏差的統計性質，例如，如果RMS相位偏差為1.5o，則超過±7.5o相位偏差的概率為6 X 10-7，這在某些應用中可能會導致顯著的誤碼率。

即使在“低噪聲”振蕩器中，沖擊和振動也會產生較大的相位偏差。此外，當振蕩器的頻率乘以N時，相位偏差也乘以N例如，10MHz下10-3弧度的相位偏差在10GHz下變為1弧度。如此大的相位偏移可能會對系統的性能，例如依賴于鎖相環（PLL）或相移鍵控（PSK）的系統的性能。低噪聲、加速度不敏感的振蕩器在此類應用中至關重要。

晶體振蕩器

振蕩

?在振蕩頻率下，閉環相移=2nπ。

?初始通電時，電路中唯一的信號是噪音。頻率滿足振蕩相位條件的噪聲分量以增加的幅度在環路周圍傳播。比率增長取決于過剩；即小信號、環路增益和網絡中晶體的帶寬。

?振幅繼續增加，直到放大器增益因有源元件的非線性（“自限”）或某些自動電平控制而降低。

?在穩態下，閉環增益=1。

振蕩和穩定性

?如果發生相位擾動Δφ，頻率必須偏移Δf以保持2nπ相位條件，其中串聯諧振振蕩器的Δf/f=-Δφ/2QL，QL是網絡中晶體的負載Q。“相位斜率”dφ/df與串聯諧振頻率附近的QL成正比（另見第3章中的“等效電路”和“頻率與電抗”）。

?大多數振蕩器在“并聯諧振”下工作，其中電抗與頻率斜率dX/df，即“剛度”，與晶體單元的動電容C1成反比。

?相位（或電抗）的最大頻率穩定性

在振蕩器回路中的擾動下，相位斜率（或電抗斜率）必須最大，即C1應最小，QL應最大。Aquartz晶體單元的高Q值和高剛度使其成為振蕩器中的主要頻率（和頻率穩定性）決定元件。

可調性和穩定性

使振蕩器在寬頻率范圍內可調會降低其穩定性，因為使振蕩器容易受到有意調諧的影響，也會使其容易受到導致無意調諧的因素的影響。調諧范圍越寬，保持高穩定性就越困難。例如，如果OCXO被設計為在某個平均時間內具有1 x 10-12的短期穩定性和1 x 10-7的可調性，那么晶體的負載電抗在該平均時間內必須穩定到1 x 10-5。實現這種穩定性是困難的，因為負載電抗受到雜散電容和電感、變容二極管電容與電壓特性的穩定性以及變容二極管上電壓穩定性的影響。此外，1 x 10-5負載電抗穩定性不僅必須在良性條件下保持，而且必須在不斷變化的環境條件下（溫度、振動、輻射等）保持。

盡管高穩定性、烤箱化的10 MHz壓控振蕩器可能具有5 x 10-7的頻率調節范圍和每年2 x 10-8的增益率，但寬調諧范圍的10 MHz VCXO可能具有50 ppm的調諧范圍和每年2ppm的老化率。

振蕩器縮略語

最常用的：

?XO…………晶體振蕩器

?VCXO……壓控晶體振蕩器

?OCXO…….恒溫晶體振蕩器

?TCXO…….溫度補償晶體振蕩器

其他：

?TCVCXO…溫度補償/壓控晶體振蕩器

?OCVCXO…爐控/壓控晶體振蕩器

?MCXO…….微機補償晶體振蕩器

?RbXO………銣晶體振蕩器

晶體振蕩器分類

根據處理晶體單元頻率與溫度（f與T）特性的方法，有三類：

?XO，晶體振蕩器，不包含降低晶體f與T特性的方法（也稱為PXO封裝晶體振蕩器）。

?TCXO，溫度補償晶體振蕩器，其中，例如，溫度傳感器（如熱敏電阻）的輸出信號用于產生校正電壓，該電壓施加到晶體網絡中的可變電抗（如變容二極管）上。電抗變化補償了晶體的f對T特性。模擬TCXO可以比晶體的f與T變化提高約20倍。

?OCXO，爐控晶體振蕩器，其中晶體和其他溫度敏感元件處于穩定的爐中，該爐被調節到晶體f與T斜率為零的溫度。OCXO可以比晶體的f與T變化提高1000倍以上。

晶體振蕩器分類

振蕩器的層次結構

*尺寸范圍從時鐘振蕩器的<1cm3到Cs標準的>30升。成本范圍從時鐘振子的<1美元到Cs標準中的>50000美元。

**包括環境影響（例如-40℃至+75℃）和一年的老化。

振蕩器電路類型

在眾多振蕩器電路類型中，Pierce、Colpitts和Clapp這三種更常見的振蕩器電路類型由同一電路組成，只是射頻接地點不同。巴特勒和改良版巴特勒也很相似；在每種情況下，發射極電流都是晶體

電流。門振蕩器是皮爾斯型，它使用邏輯門加上電阻器來代替皮爾斯振蕩器中的晶體管。（一些門振蕩器使用多個門）。

OCXO框圖