适于集成的低噪声温度补偿晶体振荡器的设计
发布时间：2021-07-31 11:19
晶体振荡器利用晶体的压电效应,可以产生机械振动,同时物理特性好,稳定度高,常作为脉冲信号和频率源,广泛应用于电子技术产业、通信雷达、国防军事等重点领域,成为电子领域的重要器件。随着人工智能、5G等技术的出现,各行业都向智能化、小型化转型,现如今晶体振荡器也朝着智能化、高稳定性、低功耗等方向发展,但是由于晶体自身固有的属性,当外界温度发生变化时,会影响振荡器频率的输出,导致与标称频率出现偏差。为了改善振荡器的频率温度特性,很早就出现了关于温度补偿技术的研究和应用,目前无论是模拟温度补偿晶体振荡器还是数字温度补偿晶体振荡器,其中变容二极管的电压包含振荡器的交流电压,会使振荡器的相位噪声指标恶化。本文设计了一种适于集成的新型温度补偿晶体振荡器,其负载可变电容采用温度系数电容,同时与晶体振荡器串联形成补偿电路,这样就避免了变容二极管的使用。该方案把晶体振荡器的温度频率曲线近似看成几条直线段相连,由于单个电容只能在某段温度区间内进行补偿,因此设计了模拟开关电路,能够根据当前的温度来选择各直线段对应的温度系数电容,实现自动分段温度补偿。本文首先介绍了晶体谐振器的组成结构和相关主要的参数,简单分析了...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
方案结构示意图
第二章振荡器概述11意如图2-2所示，图中所标出的XYZ坐标系中X轴、Y轴、Z轴分别为电轴、图2-2石英晶体部分切型示意图机械轴、光轴[5]，对于不同的轴面，切割晶体时选择不同的角度和厚度，切割后的石英晶体片则具有不同的特性[37]。石英晶体片有着各种切割形式，常见的有：AT切型、BT切型、CT切型等，见表2-1所示，接下来对现阶段常用不同切型的晶体进行简单的介绍说明。表2-1常见的石英晶体切型切型形状频率使用范围振动模式温频曲线AT圆片500KHz~350MHz厚度切变三次曲线BT圆片3MHz~75MHz厚度切变二次曲线CT方片200KHz~1MHz面切变二次曲线DT方片100KHz~600KHz面切变二次曲线SC方片5MHz~200MHz厚度切变三次曲线AT切石英晶体是沿着电轴的方向切割并且与光轴形成固定的切割夹角，压电性能好，频率使用范围高达350MHz，该切型晶体有一个显著的特点：温频曲线近似呈三次函数，并且有零温度系数点，即在该点处没有温度带来的频率偏移量，温度在-40℃~+85℃区间范围内时，具有很好的频率温度特性以及力频敏感特性[14]，在温度补偿等应用中很常见。上世纪初期发现AT切石英晶体以来，经过不断的改进和优化，其有良好的特性，成熟的生产工艺，制作十分方便目前已得到了大量的使用。BT切石英晶体的温度频率曲线主要呈二次函数关系，相比于AT切石英晶体，压电活力较差。由于Q值与晶片厚度成正比，当频率保持一定时，其厚度是AT切型的一倍，因此Q值较高，可达数百万，比较适用于高频稳定性晶振。
电子科技大学硕士学位论文12CT切石英晶体和AT切的切割角度相差不大，大约差3°，但CT切石英晶体的频率使用范围并不广，只有200KHz~1MHz，因此常用低频石英晶体。SC切石英晶体是从晶体两个角度方向切割而成的，称为双转角切割晶体，其性能相比于AT切石英晶体有了很大提升，在AT切石英晶体中存在热过冲现象[15]，当温度突然变化时，由于AT切石英晶体各个表面温度变化不均匀会造成晶体振荡器频率的偏移，从而导致短期稳定度较差。而SC切石英晶体自身能够进行应力补偿和热瞬变补偿，频率热过冲小，老化率低，能快速加热启动，同时频幅系数不高且只有AT切石英晶体的一半[16]，具有很好的短期频率稳定度和抗辐射能力。SC切石英晶体的不足在于频谱较为复杂，有3种厚度振动模式，在晶体工作振动时要尽可能减少或抑制其他两种振动模式，所以制作工艺相对比较复杂并且生产成本高，一般常在温度波动大，辐射强等特殊的环境条件下使用。如图2-3所示其为常见切型晶体的温度频率曲线[5]，表示了各切型晶体的输出频率与温度之间的关系。图2-3常见切型晶体的温频曲线图2.2晶体振荡器2.2.1石英晶体谐振器介绍石英晶体谐振器是一种用于稳频和选频的重要电子元件，是构成晶体振荡器的核心组成部分，其外观如图2-4所示，该图为直插型的晶体谐振器。石英晶体谐
【参考文献】：
期刊论文
[1]NFC技术在智能手机中的研究[J]. 许艳强. 通讯世界. 2018(07)
[2]RC文氏桥正弦波振荡电路工作条件分析[J]. 杨玉强,腾香. 渤海大学学报(自然科学版). 2017(01)
[3]基于TC1047A快速温度检测仪的设计[J]. 彭志刚. 自动化与仪器仪表. 2015(09)
[4]基于单片机的温湿度采集系统[J]. 于永会,唐军. 现代机械. 2013(03)
[5]LC三点式振荡电路的判别法及电路特征[J]. 熊于菽. 硅谷. 2013(07)
[6]对LC振荡电路教学方法的研究[J]. 管叶青. 常州工学院学报. 2011(01)
[7]基于STC89C51单片机的超声波测距系统设计与实现[J]. 郭蓉,廖娜,郭丽. 石油仪器. 2010(05)
[8]LC振荡电路的分析及仿真[J]. 林伟雄. 漳州师范学院学报(自然科学版). 2007(02)
[9]切变振动型石英晶体谐振器的特点及其应用[J]. 田文杰,路峻岭,刘玲玲,张福学. 压电与声光. 2006(02)
[10]最佳逼近法在晶体频温曲线拟合和TCXO中的应用[J]. 黄显核. 压电与声光. 2005(04)
博士论文
[1]晶体振荡器温度补偿技术的研究[D]. 刘东.电子科技大学 2017
硕士论文
[1]温度补偿晶体振荡器广泛补偿方法的研究[D]. 黄李贝.西安电子科技大学 2019
[2]一种宽调谐温度补偿振荡器的设计[D]. 李艺媚.电子科技大学 2019
[3]NFC天线结构设计及性能研究[D]. 董尚文.吉林大学 2018
[4]单变容二极管的压控温补晶体振荡器设计[D]. 彭伏生.电子科技大学 2018
[5]石英晶振相关特性的研究及边沿效应的应用[D]. 卜冬.西安电子科技大学 2015
[6]一种超高频率稳定度的ATCXO电路的研究与设计[D]. 刘宇.西安电子科技大学 2014
[7]基于stm32的微机温度补偿晶体振荡器的设计[D]. 朱忠凯.电子科技大学 2013
[8]石英晶体振荡器温度补偿技术的研究[D]. 邓志鹏.西南交通大学 2012
[9]高品质石英晶体生长及性能表征[D]. 王强涛.长春理工大学 2010
[10]高稳低相噪小型恒温晶体振荡器[D]. 程冰.西安电子科技大学 2009
本文编号：3313368
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
方案结构示意图
第二章振荡器概述11意如图2-2所示，图中所标出的XYZ坐标系中X轴、Y轴、Z轴分别为电轴、图2-2石英晶体部分切型示意图机械轴、光轴[5]，对于不同的轴面，切割晶体时选择不同的角度和厚度，切割后的石英晶体片则具有不同的特性[37]。石英晶体片有着各种切割形式，常见的有：AT切型、BT切型、CT切型等，见表2-1所示，接下来对现阶段常用不同切型的晶体进行简单的介绍说明。表2-1常见的石英晶体切型切型形状频率使用范围振动模式温频曲线AT圆片500KHz~350MHz厚度切变三次曲线BT圆片3MHz~75MHz厚度切变二次曲线CT方片200KHz~1MHz面切变二次曲线DT方片100KHz~600KHz面切变二次曲线SC方片5MHz~200MHz厚度切变三次曲线AT切石英晶体是沿着电轴的方向切割并且与光轴形成固定的切割夹角，压电性能好，频率使用范围高达350MHz，该切型晶体有一个显著的特点：温频曲线近似呈三次函数，并且有零温度系数点，即在该点处没有温度带来的频率偏移量，温度在-40℃~+85℃区间范围内时，具有很好的频率温度特性以及力频敏感特性[14]，在温度补偿等应用中很常见。上世纪初期发现AT切石英晶体以来，经过不断的改进和优化，其有良好的特性，成熟的生产工艺，制作十分方便目前已得到了大量的使用。BT切石英晶体的温度频率曲线主要呈二次函数关系，相比于AT切石英晶体，压电活力较差。由于Q值与晶片厚度成正比，当频率保持一定时，其厚度是AT切型的一倍，因此Q值较高，可达数百万，比较适用于高频稳定性晶振。
电子科技大学硕士学位论文12CT切石英晶体和AT切的切割角度相差不大，大约差3°，但CT切石英晶体的频率使用范围并不广，只有200KHz~1MHz，因此常用低频石英晶体。SC切石英晶体是从晶体两个角度方向切割而成的，称为双转角切割晶体，其性能相比于AT切石英晶体有了很大提升，在AT切石英晶体中存在热过冲现象[15]，当温度突然变化时，由于AT切石英晶体各个表面温度变化不均匀会造成晶体振荡器频率的偏移，从而导致短期稳定度较差。而SC切石英晶体自身能够进行应力补偿和热瞬变补偿，频率热过冲小，老化率低，能快速加热启动，同时频幅系数不高且只有AT切石英晶体的一半[16]，具有很好的短期频率稳定度和抗辐射能力。SC切石英晶体的不足在于频谱较为复杂，有3种厚度振动模式，在晶体工作振动时要尽可能减少或抑制其他两种振动模式，所以制作工艺相对比较复杂并且生产成本高，一般常在温度波动大，辐射强等特殊的环境条件下使用。如图2-3所示其为常见切型晶体的温度频率曲线[5]，表示了各切型晶体的输出频率与温度之间的关系。图2-3常见切型晶体的温频曲线图2.2晶体振荡器2.2.1石英晶体谐振器介绍石英晶体谐振器是一种用于稳频和选频的重要电子元件，是构成晶体振荡器的核心组成部分，其外观如图2-4所示，该图为直插型的晶体谐振器。石英晶体谐
【参考文献】：
期刊论文
[1]NFC技术在智能手机中的研究[J]. 许艳强. 通讯世界. 2018(07)
[2]RC文氏桥正弦波振荡电路工作条件分析[J]. 杨玉强,腾香. 渤海大学学报(自然科学版). 2017(01)
[3]基于TC1047A快速温度检测仪的设计[J]. 彭志刚. 自动化与仪器仪表. 2015(09)
[4]基于单片机的温湿度采集系统[J]. 于永会,唐军. 现代机械. 2013(03)
[5]LC三点式振荡电路的判别法及电路特征[J]. 熊于菽. 硅谷. 2013(07)
[6]对LC振荡电路教学方法的研究[J]. 管叶青. 常州工学院学报. 2011(01)
[7]基于STC89C51单片机的超声波测距系统设计与实现[J]. 郭蓉,廖娜,郭丽. 石油仪器. 2010(05)
[8]LC振荡电路的分析及仿真[J]. 林伟雄. 漳州师范学院学报(自然科学版). 2007(02)
[9]切变振动型石英晶体谐振器的特点及其应用[J]. 田文杰,路峻岭,刘玲玲,张福学. 压电与声光. 2006(02)
[10]最佳逼近法在晶体频温曲线拟合和TCXO中的应用[J]. 黄显核. 压电与声光. 2005(04)
博士论文
[1]晶体振荡器温度补偿技术的研究[D]. 刘东.电子科技大学 2017
硕士论文
[1]温度补偿晶体振荡器广泛补偿方法的研究[D]. 黄李贝.西安电子科技大学 2019
[2]一种宽调谐温度补偿振荡器的设计[D]. 李艺媚.电子科技大学 2019
[3]NFC天线结构设计及性能研究[D]. 董尚文.吉林大学 2018
[4]单变容二极管的压控温补晶体振荡器设计[D]. 彭伏生.电子科技大学 2018
[5]石英晶振相关特性的研究及边沿效应的应用[D]. 卜冬.西安电子科技大学 2015
[6]一种超高频率稳定度的ATCXO电路的研究与设计[D]. 刘宇.西安电子科技大学 2014
[7]基于stm32的微机温度补偿晶体振荡器的设计[D]. 朱忠凯.电子科技大学 2013
[8]石英晶体振荡器温度补偿技术的研究[D]. 邓志鹏.西南交通大学 2012
[9]高品质石英晶体生长及性能表征[D]. 王强涛.长春理工大学 2010
[10]高稳低相噪小型恒温晶体振荡器[D]. 程冰.西安电子科技大学 2009
本文编号：3313368
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