逄杰 王占奎 李鵬 孟昭建 徐淑壹 牛占魯
中國電子科技集團公司第13研究所/第16專業部 河北 石家莊 050051
晶體振蕩器是通訊系統的核心器件之一。為適應惡劣的外界環境,通訊系統要求晶體振蕩器在振動下的頻率變化盡量小。而與振動下頻率變化相關的一個關鍵指標,即是加速度靈敏度。雙晶體補償是一項優化晶體振蕩器加速度靈敏度的重要技術?,F代通信對低功耗、小型化的要求使SMD晶體的使用越來越廣泛,但SMD晶體在雙晶體補償領域使用率不高。本文針對SMD晶體在加速度靈敏度補償方面的應用進行技術研究。測試結果顯示, 雙SMD晶體補償可實現加速度靈敏度2.0E-10/g的高指標要求。根據SMD晶體批次一致性、重復性好的特性,易于批量生產。
如圖1所示,晶體的加速度靈敏度為一種矢量,即當加速度是沿著加速度矢量方向時,加速度引起的頻率偏移最大。
圖1 雙晶體加速度靈敏度補償的設計原理圖
SMD晶體結構如圖2所示,晶片一側有兩膠點,晶片另一側懸空。此結構特點造成晶體的加速度靈敏度差,約1.5E-9/g。
SMD晶體使用標準化工藝、全自動化設備進行生產,批次一致性、重復性好。此特點是SMD晶體得到普及使用的最大優勢,也是適用于雙晶體補償的重要特性。
圖2 SMD晶體結構圖
雙SMD晶體補償的實現分以下幾步:
3.1.1 單SMD晶體加速度靈敏度測試。
3.1.2 選擇需進行加速度靈敏度補償的兩個方向,使用旋轉方式實現補償結構。
3.1.3 雙SMD晶體補償后加速度靈敏度測試。
圖3為采用雙晶體加速度靈敏度補償技術的晶體振蕩器的主振原理圖,將常規主振電路設計中的一只晶體改為兩只晶體并聯。
振動試驗的測試系統如圖4所示。振動臺控制器接收到振動臺上加速度傳感器的振動信號,經過控制器的信號處理后把控制信號傳至功率放大器,使振動臺按照預先設置的振動條件進行振動。振動臺振動后使用信號源分析儀測量晶體振蕩器的相位噪聲[3]。
圖4 振動試驗測量系統框圖
振動條件:正弦,頻率40Hz,掃頻模式對數,掃頻率1oct/min,加速度峰值2g,位移0.62mm。
晶體為SMD封裝的100MHz。
4.2.1 單SMD晶體測試。SMD晶體在3個方向振動下典型相位噪聲如圖5~圖7所示。SMD晶體在相同方向上的相位噪聲差異在±3dBc/Hz以內,參數一致性較好。
圖5 單SMD晶體在X方向振動時的典型相位噪聲
圖6 單SMD晶體在Y方向振動時的典型相位噪聲
圖7 單SMD晶體在Z方向振動時的典型相位噪聲
4.2.2 實現SMD補償結構。根據測試結果,加速度靈敏度指標由優到差依次為Y方向、Z方向、X方向,優先對Y方向、Z方向進行補償。
兩只晶體同向放置后,其中一個晶體繞X軸旋轉180°后,形成雙晶體補償結構。
4.2.3 雙SMD晶體補償后加速度靈敏度測試。雙SMD晶體在3個方向振動下相位噪聲如圖8~圖10所示。
圖8 雙SMD晶體補償在X方向振動時的相位噪聲
圖9 雙SMD晶體補償在Y方向振動時的相位噪聲
圖10 雙SMD晶體補償在Z方向振動時的相位噪聲
雙晶體補償后的Y方向、Z方向加速度靈敏度有很大優化。
類別 指標 X方向振動 Y方向振動 Z方向振動單SMD晶體 相位噪聲@40Hz -70.3630dBc/Hz -54.8597dBc/Hz -60.1524dBc/Hz加速度靈敏度估算 1.21E-10/g 7.23E-10/g 3.93E-10/g雙SMD晶體補償 相位噪聲@40Hz -71.7110dBc/Hz -67.2703dBc/Hz -70.6630dBc/Hz加速度靈敏度估算 1.04E-10/g 1.73E-10/g 1.17E-10/g
采用本文設計的SMD晶體的加速度靈敏度補償技術,晶體振蕩器的加速度靈敏度得到極大優化,最差方向的加速度靈敏度可滿足2.0E-10/g的高指標要求。此設計技術可廣泛應用于各類通信設備及系統中。