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更多>>有源晶振對震動很敏感
來源：http://www.feicui22.cn 作者：康比電子 2019年07月24
有源晶振中相位噪聲是指系統(tǒng)(如各種射頻器件)在各種噪聲的作用下引起的系統(tǒng)輸出信號相位的隨機變化.它是衡量頻率標準源(高穩(wěn)晶振,原子頻標等)頻穩(wěn)質量的重要指標,隨著頻標源性能的不斷改善,相應噪聲量值越來越小,因而對相位噪聲譜的測量要求也越來越高.傳統(tǒng)的零拍測量法已面臨嚴重的挑戰(zhàn),特別是在如何減少測量系統(tǒng)本身的噪聲對測量結果的影響,提高系統(tǒng)的測量靈敏度方面尤為困難.
晶體也有輕微的短期頻率波動.這種噪聲的主要原因是例如熱噪聲(限制噪聲基底),聲子散射(受晶格缺陷影響),分子在晶體表面的吸附/解吸,振蕩器電路的噪聲,機械沖擊和振動,加速度和取向變化,溫度波動以及機械應力的釋放.短期穩(wěn)定性由四個主要參數(shù)測量:艾倫方差(振蕩器數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的最常見參數(shù)),相位噪聲,相位偏差的頻譜密度和分數(shù)頻率偏差的頻譜密度.加速度和振動的影響往往主導其他噪聲源;表面聲波器件比體聲波(BAW)器件更敏感補償削減甚至不那么敏感.加速度矢量相對于晶體的方向會顯著影響晶體的振動靈敏度.機械隔振裝置可用于高穩(wěn)定性晶振.
晶體對震動很敏感.由于晶體的應力敏感性,機械應力導致振蕩器頻率的短期變化,并且由于安裝和內(nèi)應力(如果超過機械部件的彈性極限),晶體表面污染物的解吸或振蕩器電路參數(shù)的變化,機械應力會導致頻率的永久變化.高強度的沖擊可能會將晶體從支座上撕下(尤其是在大的低頻晶體懸掛在細線上的情況下),或者導致晶體破裂.沒有表面缺陷的晶體具有很高的抗沖擊性;化學拋光可以生產(chǎn)出能夠存活數(shù)萬克的晶體.
相位噪聲在使用倍頻的頻率合成系統(tǒng)中起著重要作用;頻率乘以N增加了N2的相位噪聲功率.頻率乘以10倍將相位誤差的大小乘以10倍.這對采用鎖相環(huán)或頻移鍵控技術的系統(tǒng)來說可能是災難性的.
晶體對輻射損傷有些敏感.天然石英比人工生長的晶體敏感得多,通過在至少500伏/厘米的電場中,在無氫氣氛中將壓電晶體加熱到至少400℃,掃描至少12小時,可以進一步降低靈敏度.這種掃描晶體對穩(wěn)定電離輻射的響應非常低.一些硅(ⅳ)原子被鋁(ⅲ)雜質取代,每個雜質附近都有一個補償?shù)匿囯x子或鈉離子.電離產(chǎn)生電子空穴對;空穴被俘獲在鋁原子附近的晶格中,由此產(chǎn)生的鋰和鈉原子沿著Z軸被松散地俘獲;鋁原子附近晶格的變化
相應的彈性常數(shù)然后導致頻率的相應變化.清掃去除晶格中的鋰離子和鈉離子,降低了這種效應.Al3+位點也能捕獲氫原子.所有晶體在暴露于x光脈沖后都有瞬時負頻移;然后頻率逐漸向后移動;天然石英在10-1000秒后達到穩(wěn)定頻率,與預輻照有負偏移頻率,人造晶體返回到稍低于或高于預輻照的頻率,掃描晶體實際上退火回到原始頻率.退火在較高溫度下更快.在較高溫度和場強下真空掃描可以進一步降低石英晶振對x光脈沖的響應.未加糖晶體的串聯(lián)電阻在x光照射后增加,并退火回天然石英的稍高值(電路中需要相應的增益儲備)和合成晶體的預輻照值.掃描晶體的串聯(lián)電阻不受影響.串聯(lián)電阻的增加降低了品質因數(shù);過高的增量可以阻止振蕩.中子輻射通過撞擊原子將位錯引入晶格而誘發(fā)頻率變化,單個快中子可以產(chǎn)生許多缺陷;超臨界和超臨界切割頻率隨吸收中子劑量大致線性增加,而BT切割頻率下降.中子也改變了溫度-頻率特性.低電離輻射劑量下的頻率變化成比例地高于高劑量下的頻率變化.高強度輻射可以通過在晶體和晶體管中誘導光電導來停止振蕩器;利用掃描晶體和適當設計的電路,振蕩可以在輻射爆發(fā)后15微秒內(nèi)重新開始.堿金屬雜質含量高的石英晶體在輻照時會失去Q;掃掠人造晶體的q值不受影響.高劑量輻射(超過10拉德)會降低對后續(xù)劑量的敏感性.非常低的輻射劑量(低于300拉德)具有不成比例的高影響,但是這種非線性在更高的劑量下飽和.在非常高的劑量下,晶體的輻射響應也會飽和,因為受影響的雜質位置數(shù)量有限.
磁場對晶體本身幾乎沒有影響,因為石英有源晶振是反磁性的;然而,渦流或交流電壓可能被感應到電路中,并且安裝和外殼的磁性部分可能受到影響.
通電后,晶體需要幾秒到幾分鐘的時間來"預熱"和穩(wěn)定頻率.烘箱控制的接觸氧化硅通常需要3-10分鐘加熱才能達到熱平衡;無烘箱振蕩器在幾秒鐘內(nèi)穩(wěn)定下來,因為晶體中消耗的幾毫瓦會引起少量但明顯的內(nèi)部發(fā)熱.
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晶體沒有固有的失效機制;一些已經(jīng)在設備中運行了幾十年.然而,故障可能是由粘合故障,外殼泄漏,腐蝕,老化引起的頻移,過高的機械沖擊導致的晶體破裂或使用非石英時輻射引起的損壞引起的.過度驅動也會損壞晶體.
晶體必須以適當?shù)尿寗铀津寗?雖然AT切割往往是相當寬容的,只有它們的電參數(shù),穩(wěn)定性和老化特性在過驅動時退化,低頻晶體,特別是彎曲模式晶體,可能在過高的驅動水平下斷裂.驅動電平指定為晶體中消耗的功率量.對于高達100千赫的彎曲模式,合適的驅動電平約為5微瓦,對于1-4兆赫的基本模式為1微瓦,對于4-20兆赫的基本模式為0.5微瓦,對于20-200兆赫的泛音模式為0.5微瓦.過低的驅動水平可能會導致振蕩器啟動出現(xiàn)問題.低驅動電平更有利于振蕩器的更高穩(wěn)定性和更低功耗.更高的驅動電平反過來通過提高信噪比來降低噪聲的影響.
AT切割晶體的穩(wěn)定性隨著頻率的增加而降低.為了獲得更精確的高頻,最好使用基頻較低的晶體,以泛音工作.
老化隨時間呈對數(shù)下降,最大的變化發(fā)生在制造后不久.通過在85到125℃下長期儲存來人工老化晶體可以增加其長期穩(wěn)定性.
設計不良的振蕩器電路可能突然開始在泛音上振蕩.1972年,加利福尼亞弗里蒙特的一列火車因石英晶體振蕩器故障而墜毀.儲能電容器的不適當值導致控制板中的晶體被過度驅動,跳到泛音,并導致列車加速而不是減速.
晶體也有輕微的短期頻率波動.這種噪聲的主要原因是例如熱噪聲(限制噪聲基底),聲子散射(受晶格缺陷影響),分子在晶體表面的吸附/解吸,振蕩器電路的噪聲,機械沖擊和振動,加速度和取向變化,溫度波動以及機械應力的釋放.短期穩(wěn)定性由四個主要參數(shù)測量:艾倫方差(振蕩器數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的最常見參數(shù)),相位噪聲,相位偏差的頻譜密度和分數(shù)頻率偏差的頻譜密度.加速度和振動的影響往往主導其他噪聲源;表面聲波器件比體聲波(BAW)器件更敏感補償削減甚至不那么敏感.加速度矢量相對于晶體的方向會顯著影響晶體的振動靈敏度.機械隔振裝置可用于高穩(wěn)定性晶振.
晶體對震動很敏感.由于晶體的應力敏感性,機械應力導致振蕩器頻率的短期變化,并且由于安裝和內(nèi)應力(如果超過機械部件的彈性極限),晶體表面污染物的解吸或振蕩器電路參數(shù)的變化,機械應力會導致頻率的永久變化.高強度的沖擊可能會將晶體從支座上撕下(尤其是在大的低頻晶體懸掛在細線上的情況下),或者導致晶體破裂.沒有表面缺陷的晶體具有很高的抗沖擊性;化學拋光可以生產(chǎn)出能夠存活數(shù)萬克的晶體.
相位噪聲在使用倍頻的頻率合成系統(tǒng)中起著重要作用;頻率乘以N增加了N2的相位噪聲功率.頻率乘以10倍將相位誤差的大小乘以10倍.這對采用鎖相環(huán)或頻移鍵控技術的系統(tǒng)來說可能是災難性的.
相應的彈性常數(shù)然后導致頻率的相應變化.清掃去除晶格中的鋰離子和鈉離子,降低了這種效應.Al3+位點也能捕獲氫原子.所有晶體在暴露于x光脈沖后都有瞬時負頻移;然后頻率逐漸向后移動;天然石英在10-1000秒后達到穩(wěn)定頻率,與預輻照有負偏移頻率,人造晶體返回到稍低于或高于預輻照的頻率,掃描晶體實際上退火回到原始頻率.退火在較高溫度下更快.在較高溫度和場強下真空掃描可以進一步降低石英晶振對x光脈沖的響應.未加糖晶體的串聯(lián)電阻在x光照射后增加,并退火回天然石英的稍高值(電路中需要相應的增益儲備)和合成晶體的預輻照值.掃描晶體的串聯(lián)電阻不受影響.串聯(lián)電阻的增加降低了品質因數(shù);過高的增量可以阻止振蕩.中子輻射通過撞擊原子將位錯引入晶格而誘發(fā)頻率變化,單個快中子可以產(chǎn)生許多缺陷;超臨界和超臨界切割頻率隨吸收中子劑量大致線性增加,而BT切割頻率下降.中子也改變了溫度-頻率特性.低電離輻射劑量下的頻率變化成比例地高于高劑量下的頻率變化.高強度輻射可以通過在晶體和晶體管中誘導光電導來停止振蕩器;利用掃描晶體和適當設計的電路,振蕩可以在輻射爆發(fā)后15微秒內(nèi)重新開始.堿金屬雜質含量高的石英晶體在輻照時會失去Q;掃掠人造晶體的q值不受影響.高劑量輻射(超過10拉德)會降低對后續(xù)劑量的敏感性.非常低的輻射劑量(低于300拉德)具有不成比例的高影響,但是這種非線性在更高的劑量下飽和.在非常高的劑量下,晶體的輻射響應也會飽和,因為受影響的雜質位置數(shù)量有限.
磁場對晶體本身幾乎沒有影響,因為石英有源晶振是反磁性的;然而,渦流或交流電壓可能被感應到電路中,并且安裝和外殼的磁性部分可能受到影響.
通電后,晶體需要幾秒到幾分鐘的時間來"預熱"和穩(wěn)定頻率.烘箱控制的接觸氧化硅通常需要3-10分鐘加熱才能達到熱平衡;無烘箱振蕩器在幾秒鐘內(nèi)穩(wěn)定下來,因為晶體中消耗的幾毫瓦會引起少量但明顯的內(nèi)部發(fā)熱.
晶體必須以適當?shù)尿寗铀津寗?雖然AT切割往往是相當寬容的,只有它們的電參數(shù),穩(wěn)定性和老化特性在過驅動時退化,低頻晶體,特別是彎曲模式晶體,可能在過高的驅動水平下斷裂.驅動電平指定為晶體中消耗的功率量.對于高達100千赫的彎曲模式,合適的驅動電平約為5微瓦,對于1-4兆赫的基本模式為1微瓦,對于4-20兆赫的基本模式為0.5微瓦,對于20-200兆赫的泛音模式為0.5微瓦.過低的驅動水平可能會導致振蕩器啟動出現(xiàn)問題.低驅動電平更有利于振蕩器的更高穩(wěn)定性和更低功耗.更高的驅動電平反過來通過提高信噪比來降低噪聲的影響.
AT切割晶體的穩(wěn)定性隨著頻率的增加而降低.為了獲得更精確的高頻,最好使用基頻較低的晶體,以泛音工作.
老化隨時間呈對數(shù)下降,最大的變化發(fā)生在制造后不久.通過在85到125℃下長期儲存來人工老化晶體可以增加其長期穩(wěn)定性.
設計不良的振蕩器電路可能突然開始在泛音上振蕩.1972年,加利福尼亞弗里蒙特的一列火車因石英晶體振蕩器故障而墜毀.儲能電容器的不適當值導致控制板中的晶體被過度驅動,跳到泛音,并導致列車加速而不是減速.
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