日本NDK開發了一種超小型9×7mm高精度OCXO(烤箱控制)晶體振蕩器,用于基站應用5G,能夠運行高達+95高溫度,NDK開發適用于5G基站的+95℃高溫OCXO晶振,產品型號命名為NH9070WC恒溫晶振和NH9070WD恒溫晶振.樣品出貨定于2019年7月,批量生產定于2019年12月.

近年來,需要高速和大容量無線電基站網絡來支持該用途大容量內容,如圖像和視頻.為了實現超高速和大容量服務,5G移動網絡需要安裝大量小基站(小基站),以補充宏基站.這個小型基站安裝在一個小空間內,例如建筑物內部或室外公用設施由于高密度安裝,預計極和內部元件的溫度會升高并受到影響由外部環境變化.因此,需要緊湊,高溫兼容,高穩定性石英晶體振蕩器,具有出色的相位噪聲特性和良好的溫度斜率特性*1,不易受溫度變化的影響.

OCXO恒溫晶振用于需要非常高頻率穩定性的應用中,在某些時候這些振蕩器甚至可以稱之為溫度穩定的晶體振蕩器,又或者被稱為晶體爐.雖然石英晶體振蕩器（3種主要類型）即使在外部溫度在很大范圍內變化時也顯示出高度的穩定性,但對于某些應用,甚至需要更高水平的溫度穩定性.在這些應用程序中,OCXO恒溫晶體振蕩器可以提供所需的解決方案.與許多其他基于晶體的產品一樣,OCXO恒溫晶振可提供各種封裝和封裝類型.還需要考慮性能水平和成本,因為這些也會有很大差異.

高頻率穩定性OCXO晶體振蕩器控制溫度的能力

有時為了確保更好的穩定性時,這可以通過將晶體放置在具有恒溫控制如加熱器的隔熱容器中來實現.通過將石英晶體加熱到高于電子設備中通常遇到的溫度,可以將晶體的溫度保持在恒定溫度.這導致更高程度的溫度穩定性.此外,OCXO中的晶體將被切割,以確保其溫度穩定性針對內部工作溫度進行優化.

隨著科技發展對于晶體振蕩器的使用越來越多,包括TCXO,VCXO,OCXO,SPXO等多種類型,當然還包括差分石英晶體振蕩器以及可編程振蕩器等.億金電子是國內有名的晶振供貨商,憑借高穩定的產品質量以及豐富的產品種類獲得廣大用戶一致認可.億金電子代理德國KVG晶振品牌,提供多種封裝尺寸包括,從插件到貼片封裝足以滿足您的需求.

全新KVG恒溫晶體振蕩器SMD封裝實現高精密,密封性極好.德國KVG晶振集團成立較早,一直在不斷研發創造更多符合市場需求的產品.如今推出新型表貼式OCXO恒溫晶振.KVG溫度控制晶體振蕩器,具有完整的Stratum 3性能,甚至更好更高精密,比如在惡劣環境中,24小時內的總穩定性保持±0.16ppm精度偏差.

晶振是智能電子數碼產品應用最多的一種頻率元件,晶振可以分有源晶振和無源晶振,億金電子接下來要給大家所介紹到的是有源晶振.有源晶振根據不同產品性能需求歸為TCXO溫度補償晶振,VCXO電壓控制晶振,OCXO恒溫控制晶振,SPXO時鐘晶體振蕩器,VC-TCXO壓控溫補晶振,LVDS輸出差分晶振等.下面單獨講下適用于定義固定頻率壓控晶振的特性

VCXO晶振（壓控晶體振蕩器）是一種晶體振蕩器,它包括變容二極管和相關電路,允許通過在該二極管上施加電壓來改變頻率.這可以通過簡單的時鐘或正弦波晶體振蕩器,TCXO（產生TC/VCXO-溫度補償電壓控制晶體振蕩器）或烤箱控制類型（產生OC/VCXO恒溫箱控制的電壓晶體振蕩器）來實現.

VCXO晶振有幾個特點.在生成VCXO壓控晶體振蕩器規范時,這些適用于定義固定頻率晶體振蕩器的特性.VCXO特有的規范中的主要內容如下：

偏差-這是控制電壓變化引起的頻率變化量.例如.5伏控制電壓可能導致100ppm的偏差,或0至+5伏控制電壓可能導致150ppm的總偏差.

控制電壓-這是施加到VCXO輸入端子的變化電壓,導致頻率變化.它有時被稱為調制電壓,特別是如果輸入是AC信號.

傳遞函數（有時稱為斜率極性）-表示頻率變化的方向與控制電壓的關系.正傳遞函數表示增加的正控制電壓的頻率增加,如圖1A所示.相反,如果頻率隨著更正（或更負）控制電壓而減小,如圖1B所示,傳遞函數是負.

線性度-普遍接受的線性定義是MIL-PRF-55310中規定的.它是VCXO晶振頻率誤差和總偏差之間的比率,以百分比表示,其中晶振頻率誤差是從通過輸出頻率與控制電壓的曲線繪制的最佳直線的最大頻率偏移.如果壓電晶體振蕩器的規格要求線性度為±5％且實際偏差總共為20kHz,如圖2所示,則輸出頻率與控制電壓輸入的曲線可能會相差±1kHz（20kHz±5％）.最佳直線“A”.這些限制用“B”和“C”行表示.“D”代表VCXO的典型曲線,其線性度在±5％以內.

在圖3中,最佳直線“A”的最大偏差為-14ppm,總偏差為100ppm,因此線性度為±14ppm/100ppm=±14％.

產生圖2所示特性的VCXO晶振使用超突變結變容二極管,偏置以適應雙極性（±）控制電壓.產生圖3特性的VCXO使用具有施加的單極控制電壓的突變結變容二極管（在這種情況下為正）.良好的VCXO壓控晶振設計要求電壓與頻率曲線平滑（無間斷）和單聲道.所有維管晶振的VCXO系列都具有這些特性.

調制速率（有時稱為偏差率或頻率響應）-這是控制電壓可以改變的速率,從而導致相應的頻率變化.通過施加峰值等于指定控制電壓的正弦波信號,解調VCXO壓控晶振的輸出信號,并以不同調制速率比較解調信號的輸出電平來測量.調制速率由Vectron晶振定義為最大調制頻率,它產生的解調信號在100dB調制信號的3dB范圍內.雖然非晶體控制的VCO可以以非常高的速率進行調制（輸出頻率大于10MHz時大于1MHz）,但VCXO晶振的調制速率受到晶體物理特性的限制.雖然VCXO晶振的調制輸入網絡可以擴展到在100kHz以上產生3dB響應,但由于晶振,解調信號在調制頻率大于20kHz時可能會出現5-15dB的幅度變化.

斜率/斜率線性/增量靈敏度-這可能是一個令人困惑的區域,因為這些術語經常被誤用.如果要將斜率除以總控制電壓擺幅,則斜率應該被稱為平均斜率.對于圖2中所示的VCXO壓控晶振,平均斜率為-20kHz/10伏=-2kHz/伏.增量靈敏度,通常誤稱斜率線性度意味著頻率與控制電壓的增量變化.

因此,雖然該示例中的平均斜率是每伏特-2kHz,但是曲線的任何段的斜率可以與-2kHz/伏相當大.事實上,對于最佳直線線性度為±1％至±5％的VCXO,增量靈敏度約為（非常近似）最佳直線線性度的10倍.因此,具有±5％最佳直線線性度的VCXO壓控晶振可以在每伏特的基礎上表現出±50％的斜率變化.因此,讀取“斜率：2kHz/伏特±10％”的規范需要澄清,因為它可能意味著平均斜率或增量靈敏度.如果它旨在定義平均斜率,它只是指定18kHz到22kHz的總偏差,并且更恰當地說明了“總偏差：20kHz-10％.”但是,如果意圖頻率改變為每個增量電壓必須介于1.8kHz和2.2kHz之間,高線性VCXO壓控晶體振蕩器被指定為±10％增量靈敏度與±1％最佳直線線性相關.該規范的元素應為“增量靈敏度：每伏2kHz±10％”.

其他設計考慮因素

穩定性-石英晶振晶體是一種高Q器件,是晶體振蕩器的穩定性決定元素.它固有地抵抗被“拉”（偏離）其設計頻率.為了產生具有顯著偏差的VCXO,振蕩器電路必須“去Q”.這導致晶體在其頻率與溫度特性,老化特性及其短期穩定性（和相關的相位噪聲）特性方面的固有穩定性降低.因此,最好不要指定比絕對要求更寬的偏差,這符合用戶的最佳利益.

鎖相-當VCXO晶振用于鎖相環應用時,偏差應始終至少與VCXO本身及其鎖定的參考或信號的組合不穩定性一樣大.Vectron維管晶振集團生產一系列VCXO晶振,特別適用于鎖相環應用（在隨后的頁面中有描述）.但是,如果系統的開環穩定性要求比該產品系列中的更嚴格,則可能需要TC/VCXO.對于最高穩定性開環要求,適當的振蕩器可以是此cata-log的TCXO溫補晶振或OCXO恒溫晶振部分中描述的那些,包含窄偏差VCXO選項,而不是VCXO壓控晶體振蕩器部分中描述的那些.

基本振蕩器頻率-基本模式晶體（通常為10-25MHz）允許最大的偏差,而第三泛音晶體（通常為20-70MHz）允許偏差約為適用于基波的1/9.因此,所有寬偏差VCXO晶振（偏差大于±100到±200ppm）都使用基本晶體;較窄的偏差VCXO可以使用基模或第三泛音晶體,其選擇通常取決于線性度和穩定性等規格.很少有更高的泛音,因此更高頻率的晶體可用于VCXO.因此,輸出頻率高于或低于適當晶振頻率的VCXO包括倍頻器或分頻器.

一般注意事項-雖然任何類型的石英晶體振蕩器都是如此,但對于VCXO壓控晶體振蕩器而言,用戶不要過度指定產品.VCXO壓控晶振的特殊問題在于增加的偏差導致穩定性降低,這可能導致需要更寬的偏差,進一步降低穩定性,導致所需偏差的螺旋式增加.

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   晶振是高端智能產品都會用到的一種電子元件,為時鐘電路提供頻率信號源.石英晶振的頻率廣泛,低至1MHZ晶振,高頻可達到1200MHZ不止,石英貼片晶振被廣泛用于數碼產品安,航空,安防裝置,智能家居,汽車電子,網絡通信,醫療設備,工業機械等產品中.以下是從低頻晶振到高頻晶振的介紹及其應用.

   晶振包括石英晶體諧振器,陶瓷諧振器,晶體濾波器,貼片晶振,石英晶體振蕩器,SPXO晶振,OCXO恒溫晶振,VCXO壓控晶體振蕩器,TCXO溫補晶振,差分晶振等.具有小體積,高精度,低功耗,高頻率,低功耗,低抖動,高溫度,寬頻等特點.

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   Crystek晶振CO27VH15DE-02-10.000恒溫晶振CCHD-575-50-80.000石英晶體振蕩器CXOH20-BP-10.000溫補晶振CCSO-914X-1000.000晶體濾波器C3290-15.360有源晶振CVPD-037X-122.88有源晶振CVHD-037X-122.88壓控晶振CVHD-037X-80電壓控制晶振CVHD-037X-100壓控晶體振蕩器PPRO30-10.000溫補晶振CCSO-914X3-1000晶體濾波器C3290-16.000石英晶體振蕩器CCLD-033-50-125.000石英晶體振蕩器CVSS-945-50.000電壓控制晶振CO27VS12DE-02-10.000恒溫晶振CE3391-8.000美國進口晶振PPRO30-40.000溫補晶振CVCSO-914-1000晶體濾波器C3290-16.384美國進口晶振CCPD-033-50-156.250美國進口晶振CVSS-945-80.000壓控晶體振蕩器CVHD-950-100.000壓控晶振PPRO30-13.000溫補晶振CCSO-014-1090.000晶體濾波器C3290-18.432有源晶振CCLD-033-50-156.250有源晶振603281壓控晶振CVHD-950-80.000電壓控制晶振CVS575-622.080美國Crystek晶振C3390-32.000美國進口晶振PPRO30-26.000溫補晶振CVCSO-914-245.760晶體濾波器C3390-30.000石英晶體振蕩器

   CCPD-033-50-161.1328石英晶體振蕩器CVHD-950-125.000電壓控制晶振CVHD-037X-125壓控晶體振蕩器CVT25-38.400溫補晶振CCPD-034-50-200.000美國進口晶振CVHD-950-60.000壓控晶體振蕩器CVPD-037X-153.6壓控晶振CVT25-33.600溫補晶振CCSO-914X-245.760美國Crystek晶振CVT25-13.000溫補晶振CVS575S-500.000美國Crystek晶振C3390-32.768晶振CCHD-575-50-100.000有源晶振601964壓控晶振CVPD-034-50-155.52電壓控制晶振CVT25-19.200溫補晶振RFPRO33-500.000美國602019電壓控制晶振CVSS-945X-100.000壓控石英晶體振蕩器CVT25-26.000溫補晶振RFPRO33-1000.000美國Crystek晶振CVHD-950-74.250壓控晶體振蕩器CVSS-945-100.000壓控晶振CO27VS05DE-02-10.000恒溫晶振CCPD-033-50-77.760有源晶振CVHD-950-74.175800壓控晶振CVHD-950-122.880電壓控制晶振PPRO30-19.200溫補晶振CVS575-500.000美國Crystek晶振CVHD-950-54.000壓控晶體振蕩器CVHD-950X-100壓控晶振C3290-14.318180美國進口晶振602017壓控晶體振蕩器CCSO-914X-250.000晶體濾波器CCPD-033-50-77.760石英晶體振蕩器CVHD-950-70.000電壓控制晶振

石英晶振是一種用于穩定頻率和選擇頻率的電子元件,已被廣泛地使用在無線電話、載波通訊、廣播電視、衛星通訊、儀器儀表等各種電子設備中.那么晶振通常都有哪些封裝尺寸類型呢？
晶振一般可以分為插件晶振（Dip）和貼片晶振（SMD）.

貼片型是按尺寸大小和腳位來分類：例如7050晶振（7.0*5.0）、6035晶振（6.0*3.5）、5032晶振（5.0*3.2)、3225晶振（3.2*2.5）、2520晶振（2.5*2.0）等.從不同的應用性能來分,有源晶振又可分為普通晶振（OSC）、溫補晶振（TCXO）、壓控晶振（VCXO）、恒溫晶振（OCXO）等.

GPS定位系統是靠車載終端內置SIM通過移動GPRS信號傳輸到后臺來實現定位。在遠的地方定位人的行蹤。GPS衛星定位系統的前身是美軍研制的一種“子午儀”導航衛星系統，GPS全球定位系統是20世紀70年代由美國陸海空三軍聯合研制的新一代空間衛星導航GPS定位系統。
GPS定位系統工作原理是由地面主控站收集各監測站的觀測資料和氣象信息,計算各衛星的星歷表及衛星鐘改正數,按規定的格式編輯導航電文,通過地面上的注入站向GPS衛星注入這些信息。測量定位時,用戶可以利用接收機的儲存星歷得到各個衛星的粗略位置。根據這些數據和自身位置,由計算機選擇衛星與用戶聯線之間張角較大的四顆衛星作為觀測對象.

GPS接收機正常工作的條件是至少同時可以接收到4顆衛星的有效信號,當接收到的衛星個數少于4顆時,定位和定時信息是不準確的甚至是錯誤的。出現這樣的原因一般有:個別衛星退出工作、天線安裝位置不當、衛星故障等, 這些都有可能造成接收到有效信號的衛星個數過少。

而且有實驗證明即使將接收天線從接收機上拔掉,在其后的很長一段時間內GPS接收機仍有PS輸出,但此時的1PS與UTC已經有很大的差別,由此可見,GPS接收機完全有可能輸出錯誤的lPPS信號。另外,信號在傳遞過程中受到來自外界電磁信號的干擾,GPS接收機輸出的1PPS信號中可能含有毛刺,導致偽1PPS信號的產生,從而導致系統的誤動作,因此有必要采取抗干擾措施。這里采用硬件開窗方法消除干擾2,原理如圖4.1所示。

圖中的CLK信號由高穩定度的恒溫晶振提供,在系統上電復位后,啟動單片機的串行通訊口,接收GPS信息,根據解碼信息中的工作狀態指示判斷PPS的有效性。當初始觸發分頻信號到來之后,通過控制信號設置FPGA中的計數器在接收到的GPS1PS上升沿的附近產生一個短時間的高電平窗口信號,相當于一個與門,過濾掉窗口外的干擾信號。

另外,通過單片機自帶的外部中斷模塊來對去掉干擾后的PPS信號的上升沿進行檢測,根據檢測結果判斷GPS接收機是否正常工作,來決定系統的工作模式是馴服模式還是保持模式,具體消除1PS中干擾脈沖的波形圖如圖4.2所示。

下面主要介紹處理干擾時的重點:

1.初始觸發分頻信號的判斷

系統初始化后,用單片機的外部中斷連續三次檢測來自GPS接收機的1PPS信號,如果三次都檢測到則給出初始觸發分頻信號。

2.設置合理的“窗口”信號

由于OCXO恒溫晶振的輸出頻率比較穩定,當初始觸發分頻信號到來吋刻起,利用FPGA中的計數器和OCXO石英晶體振蕩器輸出的倍頻信號可以大致計算出下一個有效PPS脈沖的到來時刻,經過(1-△)秒后打開“窗口”,在計算得到的第二個PPS脈沖的到來時刻

后的M秒后關閉該“窗口”,只要M選擇得足夠小,則抗干擾效果就非常的明顯。

3.GPS信號的失效檢測及處理

對于整個馴服系統來說,GPS信號丟失會產生嚴重的后果,原因可能是接收機接收到的衛星個數少于四顆,如上面所說的天線的安裝問題等,使接收機處于非正常工作狀態。或者是GPS接收機與單片機模塊或者與門邏輯的接口出現問題,使GPS秒脈沖信號或時間狀態信息不能正常傳輸。

假如是第一種情況,接收模塊可通過GPS接收機串口輸出的狀態信息判斷其輸出信號是否失效,后面的軟件程序作出相應的處理。假如是第二種情況,屬于兩種功能模塊之間的通信故障,系統相關模塊不可能從GPS接收模塊獲得GPS的工作狀態信息或者秒脈沖信號,GPS_1PPS秒脈沖入口處的電平不會出現任何變化。

此時,相關模塊必須有獨自判斷GPS是否失效的能力。可以在“窗口”信號開通期間使用單片機相關外部中斷模塊,如果沒有檢測到正確跳變,說明GPS信號失效;如果“窗口”信號開通期間相關中斷模塊能捕捉到正確跳變,則說明GPS信號可能已恢復正常,此時系統可以繼續對恒溫晶體振蕩器OCXO進行校準。

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恒溫晶振(OCXO)介紹

恒溫晶體振蕩器OCXO( Oven Controlled Crystal Oscillator),是目前頻率穩定度和精確度最高的石英晶體振蕩器。它在老化率、溫度穩定性、長期穩定度和短期穩定度等方面的性能都非常好,作為精密的時頻信號源被廣泛用于全球定位系統通信、計量、頻譜及網絡分析儀等電子儀器中。目前,絕大多數高穩定度石英晶體振蕩器都采用了將晶體恒溫的方法,使用精密的恒溫控制槽,將槽內溫度調節到晶體諧振器的零溫度系數點上。這樣,能最大限度地克服溫度對晶體振蕩器頻率的影響,被廣泛用作標準頻率源。恒溫晶體振蕩器包括以下幾個基本組成部分。

1.高精密的石英諧振器

石英諸振器是振蕩電路的核心元件。正確選擇切角是制作頻率溫度系數好的石英諧振器的必要條件,特別是在寬溫度范圍內使用的石英晶體諧振器更是如此。目前恒溫晶體振蕩器中常用的石英諧振器有AT切和SC切兩種。它們具有頻率溫度系數小,Q值高,老化效應小等特點。

2.穩定的振蕩電路

由于恒溫晶體振蕩器要求頻率穩定度高,除了在控溫電路方面要達到一定的控溫精度外,振蕩電路本身穩定性也是起決定性作用的。恒溫晶體振蕩器中振蕩電路的基本功能就是把直流電能轉變成具有一定頻率、幅度且頻率高度穩定的交流電能,這種轉換是在石英諧振器的參與下進行的。其中最突出的問題就是頻率的穩定性。所以分析、設計振蕩電路都以此為前提。

3.結構完善、溫控良好的精密恒溫箱

精密恒溫箱是由恒溫槽,溫度控制電路及其它輔助裝置組成的恒溫系統。在晶體振蕩器中,用來使石英諧振器和有關電路元件保持恒溫。其作用是把石英晶振,石英諧振器的溫度穩定在石英諧振器的拐點溫度處,從而充分發揮拐點溫度附近石英諧振器的頻率溫度系數小的特性,使其得到合理使用。設計一個符合要求的恒溫槽和選擇一個性能良好的溫度控制電路對穩定頻率起著舉足輕重的作用。因此一個高穩定的晶體振蕩器,不但應具有穩定的振蕩電路,而且還必須有性能良好的恒溫箱來保證其頻率的穩定,兩者缺一不可。隨著對晶體振蕩器穩定度要求的逐步提高,對恒溫箱的控溫精度要求也越來越高,目前,頻率穩定度在100~10量級的晶體振蕩器,其恒溫箱的溫度控制精度應在0.001℃以內。

隨著通信技術的不斷提高,對恒溫晶振的要求越來越高,使其不斷向著高精度與高穩定化,低噪聲與高頻化、低功耗、快啟動、小型化方向發展。

晶振的相關數學定義

假設晶振輸出信號為正弦波,其數學模型可以表示為:

式中VO為標稱峰值輸出電壓,§(t)為幅度偏移,φ(t)為相位偏差,fr為標稱頻率。

瞬時頻率為:

相對頻率偏移為：

式中x(t)=為時間偏差,由式(2-7)可以得到：

瞬時頻率的常用公式為:

式中f(t)為t時刻的瞬時頻率值,fO為t=0時刻的頻率值,fr為標稱頻率,D(t)為頻率漂移率。

由式(2-7)和(2-9)可推導出:

式中,y為初始相對頻率偏差。

由式(2-8)和(2-10)可以得到:

式中,x為初始時間偏差,也叫做同步誤差。

一般性能比較好的石英晶振,日老化率近似為常數,特別是對于OCXO晶振,在頻率保持模式下,我們只考慮老化對實際頻率的影響。很多晶振的老化指標用的是年老化率,如±0.05ppm( Part per Million),一般情況下我們可以近似得出日老化率, 大概為年老化率的百分之一。

假設晶振老化率為常數,式(210)變為：

其中當|Bt|<<1時,有ln(Bt+1)→Br,式(2-17)變為式(2-12)的形式:

y(t)=C+ ABt                              式(2-18)

圖2.4給出了典型的老化率數學模型。可以看出石英晶振的老化率可以為正數可以為負數,也可能會產生圖中曲線y3(t)的情況。圖2.5為銣原子頻標的老化曲線,由于測試曲線的后半段存在參考和被測之間因漂移方向相同的現象,從而導致漂移問題不是很明顯。

式中,do、d為正數,參數aj(n),j=1,2,…,M由當前數據輸入和上次數據輸出迭代估計得到,價值函數為

通過最小化價值函數,可以得到參數a,(n),j=1,2,…,M,得到t(n)時刻的ao a1…aM后,t(n+l)時刻的相對頻率偏差預測值為:

系列實驗表明,估計性能對d0、d和M的取值不是很敏感,建議取值為d=1~05d(M-1),d=0.1~1.0,M=5~10。加權對數函數模型的缺點是計算比較復雜。

2.2.4晶振的頻率溫度特性

除過老化的影響,溫度也是影響頻率變化的主要因素,而不同切型的晶體的頻率一溫度特性是不一樣的,一般AT切基頻晶體的頻率一溫度變化關系都是三次曲線,存在若干個零溫度系數點,如圖2.6所示。

因此對其進行溫度補償時要采用具有非線性函數擬合能力的數學模型。然而由于OCXO恒溫晶振中一般采用SC切晶體,雖然其頻率一溫度變化曲線也是非線性的, 但是其頻率一溫度穩定度在寬溫度范圍內較AT切晶體有很大改善,并且由于它將石英晶體、振蕩電路以及部分其它線路置于精密恒溫槽中,恒溫槽的工作溫度選擇在所用晶體的零溫度系數點處,因此OCXO恒溫晶振的頻率溫度系數非常小。當恒溫槽的工作溫度波動被控制在很小范圍內時,如優于百分之一攝氏度時,其頻率溫度變化也可以被限制在很小的范圍內,而且正是由于這種恒溫作用,其頻率溫度變化曲線非常接近于線性。所以對OCXO恒溫晶振的頻率溫度變化的預測可以采用線性數學模型, 而Kalman濾波算法正是一種較好的線性模型估計器,因此用它來擬合OCXO恒溫晶振的頻率溫度特性曲線是合適的。

石英晶體的密度為265g/cm3,莫氏硬度為7,透明晶瑩。在常溫常壓下,石英晶體不溶于水和三酸(鹽酸HCl、硫酸H2SO4、硝酸HNO3)屬于溶解度極小的物質。但在高溫高壓下,再加入適量助溶劑,如碳酸鈉(Na2CO3)或氫氧化鈉(NaOH)等,就可大大提高其溶解度。這個特點被用于石英晶體的人工培育。

氫氟酸(HF)、氟化銨(NH4F)與氟化氫銨(NH4HF2)是石英貼片晶振,石英晶體良好的溶解液,這在石英晶片加工中是很有用的。石英晶體是一種良好的絕熱材料,導熱系數比較小(見表1.3.1)

表1.3.1石英晶體的導熱系數

室溫附近,沿z軸方向的導熱系數是沿垂直于z軸方向導熱系數的二倍左右與z軸成q角的任一方向的導熱系數可由下式求得(1.3.1)Kφ=K3cos²φ+K1sin²φ,其中K1是垂直于Z軸的導熱系數,K3是平行于z軸的導熱系數石英晶體的膨脹系數也很小,且沿z軸方向的線膨脹系數a3約為沿垂直于z軸方向線膨脹系數a1的1/2(見表1.3.2)。

表1.3.2石英晶體的線膨脹系數值

若已知a1和a3,由下式可求出與Z軸成φ角的任一方向的線膨脹系數aL：al=a3+(a1-a3)sin²φ (1.32)

在室溫附近:aL=(7.48+623sin²φ)×10-6 (1.33)

并可由a1和a3求得體膨脹系數ar：ar=2a1+a3 (1.3.4)

由于石英晶體的熱膨脹系數較小,因此可用于精密儀器中。但當它被加熱時, 體膨脹系數會發生很大變化。在溫度達573℃時,石英晶體由a石英晶體轉變為B石英,體積急劇增大。石英晶體諧振器內部產生的較強的機械應力可能會造成裂隙和雙晶,這是在石英晶體元件的加工中要注意避免的。

石英晶體還是一種良好的絕緣體,其電阻率可由下式求得：p=Be-AT;式中,p為電阻率,T為絕對溫度,e為自然對數的底,A等于1.15×104B為相應的常數。平行于z軸方向的B=3000,垂直于z軸方向的B為平行于z軸方向的1/80。B值除與晶體結構有關外,還與沿z軸方向孔道中堿金屬雜質(K+、Na+)的存在有關。表1.3.3列出了晶振,有源晶振,石英晶體振蕩器,石英晶體在不同溫度下的電阻率,單位為ohm. cn。

表1.3.3石英晶體在不同溫度下的p(ohm.cm)

石英晶體介電常數(描述材料介電性質的量,是電位移D與電場強度E的一個比例系數)的各向異性不很明顯,平行于z軸的介電常數ε3=4.6,垂直于z軸的介電常數ε1=4.5。在電場作用下,電介質發熱而消耗的能量叫介質損耗,通常以損耗角的正切值(tg6)來表示其損耗的大小。有源晶體振蕩器,比如溫補晶振,壓控晶振,有源石英晶體的介質損耗較小,tg6<2×10-4因此用它作電氣材料具有高穩定性。

石英晶體雖不像諸如彈簧、橡皮筋那樣的物體,振動日時能看到明顯地形變,但是它仍然服從彈性定律(胡克定律),并且可以通過全息照相看到它形變的情況。當然,石英晶體的形變更復雜些,描述更困難些,這將在第二章中進一步講述。

某些電介質由于外界的機械作用(如壓縮、拉伸等)而在其內部發生變化產生表面電荷,這種現象叫壓電效應。具有壓電效應的電介質也存在逆壓電效應,即如果將具有壓電效應的介質置于外電場中,由于電場的作用,會引起介質內部正負電荷中心位移,而這位移又導致介質發生形變,這種效應稱為逆壓電效應。

正像某些其它晶體(如酒石酸鉀鈉KNaC4H4O6.4H2O、鈦酸鋇 BaTio3等等)那樣,貼片有源晶振,石英晶體也具有壓電效應。由于其結構的特殊性,不是任何方向都存在壓電效應的,只有在某些方向,某些力的作用下才產生壓電效應。

例如:當石英晶體受到沿x軸方向的力作用時,在x方向產生壓電效應,而y、z方向則不產生壓電效應,當石英晶體受到沿y軸方向的力作用時,在x方向產生壓電效應,而y、z方向也不產生壓電效應。若受到沿z軸方向的力作用時,是不產生壓電效應。因此又稱x軸為電軸,y軸為機械軸。利用石英晶體的壓電效應可制造多種高穩定性的頻率選擇和控制元件,這將在以后各章逐步講述。

石英晶體也與其它一些物質(如方解石CaCO3、硝酸鈉NaNO3晶體等)那樣具有雙折射現象,即一束光射入石英晶體時,分裂成兩束沿不同方向傳拓的光其中一束光遵循折射定律,叫做尋常光或稱“0”光,另一束光不遵循折射定律,叫做非尋常光,又稱“e”光,如圖1.3.1所示,尋常光在石英晶體內部各個方向上的折射率mo是相等的,而非尋常光在石英晶振,石英晶體的內部各個方向的折射率n0卻是不相等的。

例如:對于波長為5893A的光,石英晶體的n0=1.54425,最大的ne=1.5536。石英晶體雖然具有雙折射現象,但當光沿z軸方向入射時,不發生雙折射現象,所以又稱z軸為光軸石英晶體還具有旋光性。即平面偏振光(光振動限于某一固定方向的光)沿z軸方向通過石英晶體后,仍然是平面偏振光,但其振動面卻較之原振動面旋轉了一個角度。

圖1.3.1石英晶體的雙折射

石英晶體的光學性質被應用到制造各種光學儀器和石英片加工工藝中。

從六十年代起開展了石英晶體,SMD晶振元件輻射效應的研究工作,在此做一些簡單的介紹。

由于宇宙射線的輻照和核武器爆炸,地球周圍存在高能粒子和y射線、X射線等輻射。這些輻射對石英晶體及其器件都有很大的影響,無色透明的石英晶體經放射線照射后會變為煙色,石英晶體元件被輻照后,會使頻率發生變化,穩定性下降,等效電阻升高。

一般認為,石英晶體被γ射線和高能粒子轟擊后,會產生結構空穴和色心,這是由于堿金屬離子(A1+3和Na+)的存在所引起的。因此,要提高石英晶體抗輻射的能力,首先要減少和消除有源恒溫晶振,差分晶振,石英晶體中的上述雜質。

一方面選擇最佳籽晶和生長條件;另一方面可使用“電清除”的方法驅逐晶體中的雜質。有人做過這樣的實驗:用z向厚度為1cm的樣片,加溫到450~470℃,加電壓1500-1700V/cm,通過晶體的電流為250μA,20分鐘后則降為20μA,這時在負極表面出現由堿金屬雜質形成的乳白色薄層。顯然,這是一種高溫、高壓排除晶體中金屬離子等雜質的工藝過程。經過這種“電清除”的人造石英晶體制成的石英晶體元件就具有良好的抗輻射性能。

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石英晶體振蕩器也分為無源晶振和有源晶振兩種類型.無源晶振與有源晶振（諧振）的英文名稱不同,無源晶振為crystal（晶體）,而有源晶振則叫做oscillator（振蕩器）.無源晶振需要借助于時鐘電路才能產生振蕩信號.