不同時(shí)基和性能的石英晶體振蕩器
現(xiàn)代電子設(shè)備使用時(shí)基進(jìn)行各種應(yīng)用。通信系統(tǒng)依靠時(shí)基對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，GPS系統(tǒng)依靠時(shí)基對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確定位，許多其它應(yīng)用依靠時(shí)基對(duì)管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流進(jìn)行管理。隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和頻率的增加，設(shè)計(jì)人員需要具有較強(qiáng)穩(wěn)定性和較低噪聲的時(shí)基。因此，振蕩器設(shè)計(jì)者需要不斷地向前推進(jìn)。動(dòng)態(tài)嚴(yán)格穩(wěn)定，限低噪聲振蕩器設(shè)計(jì)。
相位噪聲是存在于所有現(xiàn)實(shí)世界的振蕩器和信號(hào)發(fā)生器中的一個(gè)不需要的實(shí)體。在傳統(tǒng)的接收機(jī)中，它會(huì)導(dǎo)致輸入信息失真或完全丟失。在相位調(diào)制應(yīng)用中，它會(huì)導(dǎo)致高誤碼率。因此，有必要了解和量化相位噪聲，以使其正確。先進(jìn)產(chǎn)品的影響最小化。
時(shí)間是每個(gè)人生來(lái)就有的概念，是生命的一個(gè)功能。它將我們的世界定義為天、月和年。當(dāng)我們看鐘的時(shí)候，我們知道它是什么時(shí)候的。但是，我們真的了解時(shí)間嗎？它是如何定義它的？像所有的測(cè)量一樣，時(shí)間是以一定程度的不確定度來(lái)測(cè)量的。在工程應(yīng)用中，我們基本上使用這種不確定性的副產(chǎn)品是相位噪聲。每個(gè)振蕩器固有的不穩(wěn)定性是圍繞振蕩器頻率的噪聲頻譜。這個(gè)噪聲帶通常是在1兆赫時(shí)從載波到距離載波測(cè)量的。它被描述為一條dbc /hz對(duì)f（hz）曲線，顯示出來(lái)。它顯示了在給定頻率下噪聲功率與載波功率的距離。
時(shí)基
作為工程師，我們習(xí)慣于看頻率計(jì)數(shù)器和閱讀顯示器來(lái)確定我們工作的頻率。但是這個(gè)測(cè)量有多精確？測(cè)量的不確定度取決于計(jì)數(shù)器用來(lái)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部電路的時(shí)基的精度。這個(gè)時(shí)基并不完美，因此它會(huì)扭曲頻率讀數(shù)的結(jié)果。對(duì)于那些需要非常精確的頻率測(cè)量的人。在應(yīng)用中，時(shí)基的準(zhǔn)確度是最重要的。
和其他度量一樣，時(shí)間是不確定的。然而，時(shí)間是人類生產(chǎn)最準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)。第二個(gè)定義是銫133（CS-133）的共振頻率，即9192631770赫茲[8]。
因此，通過(guò)測(cè)量銫的振動(dòng)，我們有了一個(gè)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所是美國(guó)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的守護(hù)者。截至2005年，NIST標(biāo)準(zhǔn)的不確定性為5x10-16s，這意味著它在6000萬(wàn)年內(nèi)不會(huì)增加或減少一秒鐘，[9]。
銫原子鐘雖然精度高，但有幾個(gè)缺點(diǎn)，使其不適合商業(yè)電子應(yīng)用。銫標(biāo)準(zhǔn)的成本禁止用作時(shí)間基準(zhǔn)。其次，它們非常大。NIST標(biāo)準(zhǔn)占據(jù)了大部分房間。盡管有更小的銫標(biāo)準(zhǔn)，但它們不是便攜式的。此外，銫標(biāo)準(zhǔn)還有預(yù)熱時(shí)間。保持打開(kāi)。電很重要，因?yàn)橥ｋ娍赡芤馕吨认陆?。最后，銫，作為銫的標(biāo)準(zhǔn)燃料，將自然耗盡，有效地“消耗設(shè)備中的氣體”。
由于銫不能有效地用于商業(yè)電子產(chǎn)品或大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用，因此必須考慮其他定時(shí)源。銣提供了非常精確的頻率計(jì)數(shù)，類似于銫，但它也有同樣的缺點(diǎn)。銣標(biāo)準(zhǔn)只比銫稍差一點(diǎn)，因此它們的相關(guān)成本很高。它們不是便攜式設(shè)備，必須
銣標(biāo)準(zhǔn)與銫同樣存在燃料消耗問(wèn)題。
石英晶體振蕩器是大多數(shù)消費(fèi)電子產(chǎn)品的選擇。石英通過(guò)壓電效應(yīng)工作。施加在晶體上的電壓使它以一種非常穩(wěn)定和可預(yù)測(cè)的方式振動(dòng)。通過(guò)切割和成型石英可以獲得所需的振蕩頻率。
石英有許多優(yōu)點(diǎn)：它價(jià)格便宜（與銫和銣相比），體積小（小于3.2 mm×2.5 mm的晶體包裝尺寸），Q含量高（大于500 K的大坯料）。幾十年來(lái)石英一直是定時(shí)設(shè)備的選擇。
石英晶體振蕩器
晶體振蕩器有多種形狀和尺寸。XO是石英晶體和驅(qū)動(dòng)電路。這些裸骨鐘既便宜又小，但精度有限，因?yàn)榫w在大約+\/-30ppm的溫度下漂移。
TCXOS（溫控晶體振蕩器）利用補(bǔ)償電壓來(lái)校正晶體的自然溫度漂移。這是通過(guò)傳統(tǒng)的熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)或多項(xiàng)式發(fā)生器實(shí)現(xiàn)的。TCXOS在溫度范圍（+\/-0.25pm）更穩(wěn)定，尺寸更?。?.0mmx2.5mm），功耗更低（在某些情況下為2mA）。
MCXOS（微處理器控制的晶體振蕩器）利用微處理器通過(guò)檢測(cè)工作溫度來(lái)校正晶體的自然溫度漂移，并利用這些數(shù)據(jù)來(lái)校正振蕩器的頻率。這些振蕩器可以達(dá)到+\/-0.1pm的溫度穩(wěn)定性，但是
它占地面積稍大，耗電量大，并且由于微處理器在振蕩器中運(yùn)行而降低了噪聲特性。
cxos（烤箱控制晶體振蕩器）和docxos（雙烤箱控制晶體振蕩器）提供了石英晶體振蕩器必須提供的最大穩(wěn)定性。通過(guò)加熱內(nèi)部電路，晶體幾乎保持恒溫，幾乎消除了晶體的自然溫度漂移。零件在10-10℃下的穩(wěn)定性是可以實(shí)現(xiàn)的，但應(yīng)稱重封裝面積（至少1平方）。英寸）和功耗（可能超過(guò)1a）。
盡管Q值很高，但石英晶體振蕩器并不完美。理想情況下，正弦振蕩器產(chǎn)生方程式1中的電壓：
V（t）=VOCOS（2 FOT）（1）
vo是振幅，f0是頻率，t是時(shí)間。
然而，現(xiàn)實(shí)世界中的振蕩器有一定的振幅和相位波動(dòng)，其行為與方程2[4]相同。
V（t）=[？vo+（t）]cos（2？福特+（T））（2）
vo是振幅，f0是頻率，t是時(shí)間，t是振幅波動(dòng)，t是相位波動(dòng)。
振蕩器的頻率受幾個(gè)因素的影響：溫度、長(zhǎng)期漂移和短期不穩(wěn)定性。石英對(duì)溫度非常敏感。在晶體的溫度范圍內(nèi)，頻率通常在+\/-30ppm之間漂移。