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(zhì)量的重要指標,隨著頻標源性能的不斷改善,相應(yīng)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(jié)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)力敏感性,機械應(yīng)力導(dǎo)致振蕩器頻率的短期變化,并且由于安裝和內(nèi)應(yīng)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(yīng)力會導(dǎo)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(dǎo)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(xué)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(shù)的系統(tǒng)來說可能是災(zāi)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(yīng)非常低.一些硅(ⅳ)原子被鋁(ⅲ)雜質(zhì)取代,每個雜質(zhì)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(yīng)的彈性常數(shù)然后導(dǎo)致頻率的相應(yīng)變化.清掃去除晶格中的鋰離子和鈉離子,降低了這種效應(yīng).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(yù)輻照有負偏移頻率,人造晶體返回到稍低于或高于預(yù)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(yīng).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(yīng)的增益儲備)和合成晶體的預(yù)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(zhì)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(dǎo)光電導(dǎo)來停止振蕩器;利用掃描晶體和適當設(shè)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(zhì)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(yīng)也會飽和,因為受影響的雜質(zhì)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(yīng)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(yù)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.

晶體沒有固有的失效機制;一些已經(jīng)在設(shè)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(dǎo)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(qū)動也會損壞晶體.
晶體必須以適當?shù)尿?qū)動水平驅(qū)動.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(qū)動時退化,低頻晶體,特別是彎曲模式晶體,可能在過高的驅(qū)動水平下斷裂.驅(qū)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(qū)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(qū)動水平可能會導(dǎo)致振蕩器啟動出現(xiàn)問題.低驅(qū)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(qū)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(shè)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(dǎo)致控制板中的晶體被過度驅(qū)動,跳到泛音,并導(dǎo)致列車加速而不是減速.

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