晶体振荡器
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激励的原子弛豫为F＝1态和F＝2态， 但是F＝1态被再次激励；F＝2态过 密；6.8GHz使F＝2反变为F＝1，从 而给吸收光提供更多的原子。
微波谐振使光的吸收增强，即光电管 所检测的光变暗（<1%），微波频 率被琐在光电管检测变弱的光上，因 此原子跃迁频率控制微波频率，即控 制晶体振荡器频率。
铯原子频标
代理产品
NEL旗下： 0835a超低相噪OCXO：SC切割、相噪低，输出10/10.23MHz
1205a 双频锁相OCXO：10M和100M两路分开输出，100M 兼容了10MHz优异的温度特性、老化特性和短稳
1029d 超低相噪OCXO：SC切割、低相噪、输出100MHz OCXO 378-10：超低功耗<150mW，快速预热（45s）
相对频率y=Δf/f是在时间间隔τ内进 行测量；(Yk+1-Yk)2为对y的2次 有效测量之差， 因此，是很理想的。 <>表示对(Yk+1-Yk)2的无限次数 的时间平均。测量次数m(m≥100）
平均时间越长，不代表阿伦方差越好， 主要噪声是随机游动，时间越长，稳 定度会受准确度的影响
相位噪声
相位噪声：是指单位Hz的噪声密度与信 号总功率之比 在时域内其实就是指频率相位的抖动 一个纯净的正弦信号表达为：
铯原子基态中的超精细能级的磁场关 系（高能态为9个，低能态为7个）。 图中划出的磁场最大到H0值。
原子检测器加热后铯原子被电离，离 子被集中，电流经过放大后，反馈至 反馈网络。通过这个方法，微波频率 被锁定在最大离子电流频率上‘所以 原子跃迁频率控制微波频率，即控制 晶体振荡器频率
氢原子频标
氢原子的能级也跟磁场有关
晶体振荡器
右图为简化了的石英晶体振荡器 的基本组成元件，一般由晶体谐 振器、放大电路、反馈电路（调 谐电压）、频率输出组成
在调谐电压作用下，晶片产生压 电效应，输出至放大器，然后通 过放大器反馈给调谐电压，最终 达到一个稳定的谐振频率输出
在稳定状态下，闭合回路的增益 为1。
XO Crystal Oscillators
Symmetricom旗下
SA.45s芯片级原子钟：低功耗<120mW,体积小，具有120s快速 启动及1PPS锁定，具备RS-232管理控制接口 应用领域：水下传感器网络、反简易爆炸装置、干扰系统独立 传感器网络、无人驾驶飞行器、海洋物探、手持测试仪
1000C超高温BVA（无电极）晶振：SC切割无电极式高性能晶体 振荡器，超低相噪-130dbc@1hz，-160dbc@100khz， 短稳2E-13（100s以内），满足军事和工业环境需求
XO晶体振荡器：没有能够降低晶体频率温度特性的器件 准确度：十几到几十个PPM 受温度影响较大 用途：一般用于计算机计时
TCXO 温度补偿晶体振荡器
TCXO(Temperature Compensated Crystal Oscillator)：在 这种振荡器中，来自温度传感器（热敏电阻）的输出信号被用来 产生校正电压，加在晶体网络中的变容二极管上。电抗的变化用 以补偿晶体的频率温度特性。
应用领域：可用于高精度的频率计数器和综合器、GPS接收机、 微波倍频器、相位噪声校准设备、2级通信应用、雷达和战术 通信系统、安全通信系统、卫星地面终端以及航天飞行系统
频率准确度：10-8左右 用途：导航系统时钟和频率标准，雷达
晶体振荡器的分类
VCXO压控晶体振荡器:会有一个电压控制管脚，通过外加电压来 微调频率，
TCVCXO：温度补偿压控晶体振荡器 OCVCXO：恒温控制压控晶体振荡器 MCXO：微机补偿晶体振荡器 RbXO：铷晶体振荡器 高性能原子频标
换，产生两个比较接近的谐振频率fs和fp
制作流程
右边流程图表明了制造谐振器的主 要工序。
所有的步骤都能影响谐振器稳定度，
。
尤其在在方框内的显示的步骤通常 与石英谐振器的长期稳定度有着重 要的影响。在理想状况下，这些最 后的工序需要在超真空的条件下完 成。
为了制造出低老化率，在封焊前的 超真空烘干变的非常重要。
石英晶体谐振器和振荡器
振荡器的概念
振荡器是将直流电转为交流电的一种电路或者器件，其主要分为 三种：
1.RC振荡器：由R、C串并联网络组成的选频电路。适用于低频振荡， 一般用于产生1Hz~1MHz的低频正弦波信号，振荡频率为：
2.LC振荡器：由L、C并联网络组成的选频电路，频率较高，比较稳 定，缺点频率调节不方便，一般振荡频率在1MHz以上，计算公式：
根据测试时长老化率一般分日老化率、月老化了、年老化率。
短期稳定性
短期稳定性：理想的振荡器的输出电压 为正弦曲线。实际的振荡器输出电压由 于噪声的影响是偏移的正弦曲线的 影响因素： • Johnson噪声*（热引起的电荷波动，
例如，阻抗元件中的“热电势”）
• 缺陷和量子波动引起的声子散射（与 Q相关）
3.石英晶体振荡器：利用石英（SiO2）薄片的电气特性来产生某一 固定频率，输出频率由晶片的切割角度、形状等决定
晶体振荡器
晶体谐振器：将石英晶体按照一定方 位角切下的薄片，然后在两个对应表 面上涂敷银层引出电极，再用金属或 者玻璃外壳封装，就构成了石英晶体 振荡器，也就是crystal
晶片的切割方式不同，对晶振的性能 会产生不同的影响，常见的是AT切、 BT切和SC切
压电谐振：交变电压—频率相同的变形振动—交 变电荷—回路中形成电流
晶体谐振器
由其等效电路可知：fs为L、C、R支路串联谐振频率， fp为整个电路并联的谐振频率
在fs和fp范围之间，晶体呈感性，相当于一个电感元 件
在fs频率点上，呈纯电阻性，相当于阻值很小的电阻， fp上呈阻性
在其他频率上敬提呈容性，相当于一个电容元件 在上述特性作用下，晶片此时在感性与阻性之间切
原子频率标准
分两种，一种被动式谐振频标
由晶振产生一个基准频率，通过倍频后激励原子能级跃迁，通过反馈 电路形成稳定频率输出 一种微波激励式
铷原子频标
铷原子频率标准 原子谐振器原理图
原子谐振频率为6,834,682,608Hz。
Rb87灯发出与F＝1和F＝2跃迁相 一致的波长；Rb85滤光泡吸收F＝2 跃迁光的多余部份。通过滤光泡的光 Rb87F＝1态所吸收；
由于噪声的存在，该信号的相位是随时 间随机变化的，因此信号表达为：
其中的φ（t）是随时间而变的相位起伏， 也就是相位噪声,但我们习惯用相对载频 1Hz带宽内的功率来表示，俗称相位噪 声，所以其单位：dBc/Hz 测量点为待测频率f。: +1Hz +10Hz +100Hz +1000Hz +10000Hz
其他特性
温度特性：指在其他条件不变的情况下，温度对其频率稳定度的 影响
电压特性：指在其他条件不变的情况下，电压的变化（小幅度纹 波）对其频率稳定度的影响
压控电压：有些晶振会有一个VC脚位，通过外加电压调节输出频 率，一般牵引范围在PPM级别
杂散：指相噪曲线上的一些毛刺，源于放大器或者混频器的噪音
ห้องสมุดไป่ตู้荡器的输出
输出：Sine、TTL、CMOS，ECL输出。后三种输出都可以正弦波 产生。如下图：虚线表示输入电压，实线表示输出。对于正弦波 振荡器来说，
正弦波振荡器没有“标准的”输入电压。 TTL：VCC=5V(OUT:2.4/0.5，IN:2/0.8)
LVTTL VCC=3.3V (OUT:2.4/0.5，IN:2/0.8) LVTTL VCC=2.5V (OUT:2/0.2，IN:1.7/0.7) CMOS:90%高，10%低 VCC=5V (OUT:4.45/0.5，IN:3.5/1.5)
• 振荡器电路（有源和无源元件）引起 的噪声
• 温度波动—热瞬变效应 —在恒温槽 设置点上活动性下降
• 随机振动
• 吸附的分子数的变化
• 连接面（石英、电极、装架、粘合剂） 应力的消除、波动
• 原子频率标准中的散粒噪声
量度：阿伦方差（双采样方差）
短期稳定性
短稳的量度：采用双采样方差或阿仑 方差的平方根，是用时域法描述振荡 器短期稳定度的标准方法。一般用 ()yστ来表示。
频率稳定度：PPM级 用途：在战术无线电传送中作频率控制
OCXO恒温控制晶体振荡器
OCXO（Oven Controlled Crystal Oscillator）恒温控制晶体 振荡器：晶体和其他温度敏感元件均装在 稳定的恒温槽中，而恒 温槽被调整到频率随温度的变化斜率为零的温度上。OCXO能够 在晶体频率随温度变化的范围内提供1000倍以上的改善。
输出 10M或者100MHz，适用在需求低功耗、低相噪及 高稳定性的场所
Symmetricom旗下
XPRO高稳铷钟：高性能的铷原子振荡器，具有优异的老化率：5E-11/月 应用领域：是电信、测试、计量等广泛领域
X72宽温全功能铷钟：工作温度宽度-40C-+85C， 应用领域：GSM和UMTS系统 CDMA网络、中心站和网络节点的同步
8200加固抗震铷钟：坚固耐用，海陆空都可一直用的抗震型铷钟 应用领域：舰船、车载、机载、弹载等军事平台、高级通讯、 导航和 定位系统
SA.3xm微型铷钟:最小的商用铷原子中，低功耗、体积小、高准确度，满足 电信网络到测试和测量的同步和定时应用，适合电力及通讯仪表等
应用领域：独立稳定频率源、长期保持功能适合CDMA和WiMAX和基站、 各种通讯和传输应用
振荡器的常见指标
准确度和稳定度
振荡器的常见指标
初始准确率：指振荡器上电工作某一段短时间内的频率准确度： 一般为开机八分钟至30分钟，25度室温，需要等到晶振稳定工作
老化率：振荡器在工作一段时间后由于内部结构的改变引起的频 率偏移
引起原因：不同的热膨胀系数、焊接材料在凝固、加工时尺寸的改变、由 于成型，焊接和风寒时的残余应力，电极的内应力、石英在生长中的不均 匀，杂质和其他缺陷、切割，点清晰和腐蚀引起的表面破坏的影响、电极 应力和支架为对准的弯矩，晶格内部产生局部化应力产生的破坏
AT\BT切比较容易实现
SC切难实现，但优点比较多
瞬间热补偿 激励电平灵敏度低
稳定度高 对辐射的灵敏度低
晶体谐振器工作原理
石英晶体谐振器之所以有选频特性，是因为其具 有“压电效应”和“压电谐振”现象，即在外加 信号频率不同时，它可以呈现出不同的电抗特性，
压电效应：机械力-----电荷电场
在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产 生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压 力，则在晶片相应的方向上将产生电场
微波谐振使光的吸收增强，即光电管 所检测的光变暗（<1%），微波频 率被琐在光电管检测变弱的光上，因 此原子跃迁频率控制微波频率，即控 制晶体振荡器频率。
铯原子频标
代理产品
NEL旗下： 0835a超低相噪OCXO：SC切割、相噪低，输出10/10.23MHz
1205a 双频锁相OCXO：10M和100M两路分开输出，100M 兼容了10MHz优异的温度特性、老化特性和短稳
1029d 超低相噪OCXO：SC切割、低相噪、输出100MHz OCXO 378-10：超低功耗<150mW，快速预热（45s）
相对频率y=Δf/f是在时间间隔τ内进 行测量；(Yk+1-Yk)2为对y的2次 有效测量之差， 因此，是很理想的。 <>表示对(Yk+1-Yk)2的无限次数 的时间平均。测量次数m(m≥100）
平均时间越长，不代表阿伦方差越好， 主要噪声是随机游动，时间越长，稳 定度会受准确度的影响
相位噪声
相位噪声：是指单位Hz的噪声密度与信 号总功率之比 在时域内其实就是指频率相位的抖动 一个纯净的正弦信号表达为：
铯原子基态中的超精细能级的磁场关 系（高能态为9个，低能态为7个）。 图中划出的磁场最大到H0值。
原子检测器加热后铯原子被电离，离 子被集中，电流经过放大后，反馈至 反馈网络。通过这个方法，微波频率 被锁定在最大离子电流频率上‘所以 原子跃迁频率控制微波频率，即控制 晶体振荡器频率
氢原子频标
氢原子的能级也跟磁场有关
晶体振荡器
右图为简化了的石英晶体振荡器 的基本组成元件，一般由晶体谐 振器、放大电路、反馈电路（调 谐电压）、频率输出组成
在调谐电压作用下，晶片产生压 电效应，输出至放大器，然后通 过放大器反馈给调谐电压，最终 达到一个稳定的谐振频率输出
在稳定状态下，闭合回路的增益 为1。
XO Crystal Oscillators
Symmetricom旗下
SA.45s芯片级原子钟：低功耗<120mW,体积小，具有120s快速 启动及1PPS锁定，具备RS-232管理控制接口 应用领域：水下传感器网络、反简易爆炸装置、干扰系统独立 传感器网络、无人驾驶飞行器、海洋物探、手持测试仪
1000C超高温BVA（无电极）晶振：SC切割无电极式高性能晶体 振荡器，超低相噪-130dbc@1hz，-160dbc@100khz， 短稳2E-13（100s以内），满足军事和工业环境需求
XO晶体振荡器：没有能够降低晶体频率温度特性的器件 准确度：十几到几十个PPM 受温度影响较大 用途：一般用于计算机计时
TCXO 温度补偿晶体振荡器
TCXO(Temperature Compensated Crystal Oscillator)：在 这种振荡器中，来自温度传感器（热敏电阻）的输出信号被用来 产生校正电压，加在晶体网络中的变容二极管上。电抗的变化用 以补偿晶体的频率温度特性。
应用领域：可用于高精度的频率计数器和综合器、GPS接收机、 微波倍频器、相位噪声校准设备、2级通信应用、雷达和战术 通信系统、安全通信系统、卫星地面终端以及航天飞行系统
频率准确度：10-8左右 用途：导航系统时钟和频率标准，雷达
晶体振荡器的分类
VCXO压控晶体振荡器:会有一个电压控制管脚，通过外加电压来 微调频率，
TCVCXO：温度补偿压控晶体振荡器 OCVCXO：恒温控制压控晶体振荡器 MCXO：微机补偿晶体振荡器 RbXO：铷晶体振荡器 高性能原子频标
换，产生两个比较接近的谐振频率fs和fp
制作流程
右边流程图表明了制造谐振器的主 要工序。
所有的步骤都能影响谐振器稳定度，
。
尤其在在方框内的显示的步骤通常 与石英谐振器的长期稳定度有着重 要的影响。在理想状况下，这些最 后的工序需要在超真空的条件下完 成。
为了制造出低老化率，在封焊前的 超真空烘干变的非常重要。
石英晶体谐振器和振荡器
振荡器的概念
振荡器是将直流电转为交流电的一种电路或者器件，其主要分为 三种：
1.RC振荡器：由R、C串并联网络组成的选频电路。适用于低频振荡， 一般用于产生1Hz~1MHz的低频正弦波信号，振荡频率为：
2.LC振荡器：由L、C并联网络组成的选频电路，频率较高，比较稳 定，缺点频率调节不方便，一般振荡频率在1MHz以上，计算公式：
根据测试时长老化率一般分日老化率、月老化了、年老化率。
短期稳定性
短期稳定性：理想的振荡器的输出电压 为正弦曲线。实际的振荡器输出电压由 于噪声的影响是偏移的正弦曲线的 影响因素： • Johnson噪声*（热引起的电荷波动，
例如，阻抗元件中的“热电势”）
• 缺陷和量子波动引起的声子散射（与 Q相关）
3.石英晶体振荡器：利用石英（SiO2）薄片的电气特性来产生某一 固定频率，输出频率由晶片的切割角度、形状等决定
晶体振荡器
晶体谐振器：将石英晶体按照一定方 位角切下的薄片，然后在两个对应表 面上涂敷银层引出电极，再用金属或 者玻璃外壳封装，就构成了石英晶体 振荡器，也就是crystal
晶片的切割方式不同，对晶振的性能 会产生不同的影响，常见的是AT切、 BT切和SC切
压电谐振：交变电压—频率相同的变形振动—交 变电荷—回路中形成电流
晶体谐振器
由其等效电路可知：fs为L、C、R支路串联谐振频率， fp为整个电路并联的谐振频率
在fs和fp范围之间，晶体呈感性，相当于一个电感元 件
在fs频率点上，呈纯电阻性，相当于阻值很小的电阻， fp上呈阻性
在其他频率上敬提呈容性，相当于一个电容元件 在上述特性作用下，晶片此时在感性与阻性之间切
原子频率标准
分两种，一种被动式谐振频标
由晶振产生一个基准频率，通过倍频后激励原子能级跃迁，通过反馈 电路形成稳定频率输出 一种微波激励式
铷原子频标
铷原子频率标准 原子谐振器原理图
原子谐振频率为6,834,682,608Hz。
Rb87灯发出与F＝1和F＝2跃迁相 一致的波长；Rb85滤光泡吸收F＝2 跃迁光的多余部份。通过滤光泡的光 Rb87F＝1态所吸收；
由于噪声的存在，该信号的相位是随时 间随机变化的，因此信号表达为：
其中的φ（t）是随时间而变的相位起伏， 也就是相位噪声,但我们习惯用相对载频 1Hz带宽内的功率来表示，俗称相位噪 声，所以其单位：dBc/Hz 测量点为待测频率f。: +1Hz +10Hz +100Hz +1000Hz +10000Hz
其他特性
温度特性：指在其他条件不变的情况下，温度对其频率稳定度的 影响
电压特性：指在其他条件不变的情况下，电压的变化（小幅度纹 波）对其频率稳定度的影响
压控电压：有些晶振会有一个VC脚位，通过外加电压调节输出频 率，一般牵引范围在PPM级别
杂散：指相噪曲线上的一些毛刺，源于放大器或者混频器的噪音
ห้องสมุดไป่ตู้荡器的输出
输出：Sine、TTL、CMOS，ECL输出。后三种输出都可以正弦波 产生。如下图：虚线表示输入电压，实线表示输出。对于正弦波 振荡器来说，
正弦波振荡器没有“标准的”输入电压。 TTL：VCC=5V(OUT:2.4/0.5，IN:2/0.8)
LVTTL VCC=3.3V (OUT:2.4/0.5，IN:2/0.8) LVTTL VCC=2.5V (OUT:2/0.2，IN:1.7/0.7) CMOS:90%高，10%低 VCC=5V (OUT:4.45/0.5，IN:3.5/1.5)
• 振荡器电路（有源和无源元件）引起 的噪声
• 温度波动—热瞬变效应 —在恒温槽 设置点上活动性下降
• 随机振动
• 吸附的分子数的变化
• 连接面（石英、电极、装架、粘合剂） 应力的消除、波动
• 原子频率标准中的散粒噪声
量度：阿伦方差（双采样方差）
短期稳定性
短稳的量度：采用双采样方差或阿仑 方差的平方根，是用时域法描述振荡 器短期稳定度的标准方法。一般用 ()yστ来表示。
频率稳定度：PPM级 用途：在战术无线电传送中作频率控制
OCXO恒温控制晶体振荡器
OCXO（Oven Controlled Crystal Oscillator）恒温控制晶体 振荡器：晶体和其他温度敏感元件均装在 稳定的恒温槽中，而恒 温槽被调整到频率随温度的变化斜率为零的温度上。OCXO能够 在晶体频率随温度变化的范围内提供1000倍以上的改善。
输出 10M或者100MHz，适用在需求低功耗、低相噪及 高稳定性的场所
Symmetricom旗下
XPRO高稳铷钟：高性能的铷原子振荡器，具有优异的老化率：5E-11/月 应用领域：是电信、测试、计量等广泛领域
X72宽温全功能铷钟：工作温度宽度-40C-+85C， 应用领域：GSM和UMTS系统 CDMA网络、中心站和网络节点的同步
8200加固抗震铷钟：坚固耐用，海陆空都可一直用的抗震型铷钟 应用领域：舰船、车载、机载、弹载等军事平台、高级通讯、 导航和 定位系统
SA.3xm微型铷钟:最小的商用铷原子中，低功耗、体积小、高准确度，满足 电信网络到测试和测量的同步和定时应用，适合电力及通讯仪表等
应用领域：独立稳定频率源、长期保持功能适合CDMA和WiMAX和基站、 各种通讯和传输应用
振荡器的常见指标
准确度和稳定度
振荡器的常见指标
初始准确率：指振荡器上电工作某一段短时间内的频率准确度： 一般为开机八分钟至30分钟，25度室温，需要等到晶振稳定工作
老化率：振荡器在工作一段时间后由于内部结构的改变引起的频 率偏移
引起原因：不同的热膨胀系数、焊接材料在凝固、加工时尺寸的改变、由 于成型，焊接和风寒时的残余应力，电极的内应力、石英在生长中的不均 匀，杂质和其他缺陷、切割，点清晰和腐蚀引起的表面破坏的影响、电极 应力和支架为对准的弯矩，晶格内部产生局部化应力产生的破坏
AT\BT切比较容易实现
SC切难实现，但优点比较多
瞬间热补偿 激励电平灵敏度低
稳定度高 对辐射的灵敏度低
晶体谐振器工作原理
石英晶体谐振器之所以有选频特性，是因为其具 有“压电效应”和“压电谐振”现象，即在外加 信号频率不同时，它可以呈现出不同的电抗特性，
压电效应：机械力-----电荷电场
在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产 生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压 力，则在晶片相应的方向上将产生电场