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FOX晶振又一个美国在大陆备受欢迎的晶振品牌,致力于研发生产晶振,石英晶体振荡器等电子元件,自成立以来不断推出高品质,高稳定性能贴片晶振,以为用户提供高价值,多元化产品为发展理念.美国FOX晶振利用自身独特的生产技术,先进的精密设备,精心筛选优异晶体元件,以打造高精密石英贴片晶振.

佛罗里达州迈尔斯堡.2011年10月1日-福克斯电子,全球领先的频率控制解决方案供应商,现在提供F300系列的HCMOS振荡器,其特点是低电压和低电流消耗.1伏振荡器包含一个备用的功能,可以减少振荡器的当前消耗到5个微型安培,以获得更有效的电力使用.

佛罗里达州迈尔斯堡.2012年3月5日-福克斯电子,全球领先的晶体频率控制解决方案供应商,目前提供最广泛的aec-q200型晶体振荡器,满足汽车应用中用于被动元件的严格压力测试要求.新石英晶体振荡器的频率范围为2MHz至135MHz, -温度高达40Cto+85C,2MHz至48MHz,从-40C到+125C.

福克斯公司的FA5xx和FA4xxx系列产品在AEC1-4级以及ISO/TS-16949规范的基础上,经受住了汽车所面临的严格的环境和操作条件.

电压控制晶体振荡器（VCXO晶振）,是通过施加外部控制电压使振荡频率可变或是可以调制的石英晶体振荡器.在典型的VCXO晶振中,通常是通过调谐电压改变变容二极管的电容量来“牵引”石英晶体振子频率的.

VCXO石英晶体振荡器允许频率控制范围比较宽,实际的牵引度范围约为±200ppm甚至更大.如果要求VCXO的输出频率比石英晶体振子所能实现的频率还要高,可采用倍频方案.扩展调谐范围的另一个方法是将晶体振荡器的输出信号与VCXO的输出信号混频.与单一的振荡器相比,这种外差式的两个振荡器信号调谐范围有明显扩展. 

比如：3225mm体积贴片晶振适用于汽车电子领域的表面贴片型石英晶振,本产品已被确定的高信赖性最适合用于汽车电子部件,晶体在极端严酷的环境条件下也能发挥稳定的起振特性,晶振本身具有耐热,耐振,耐冲击等优良的耐环境特性,满足无铅焊接的高温回流温度曲线要求,符合AEC-Q200标准.

晶振厂家这些最基本的.现在大家都比较喜爱便携式的电子产品,由此可见,传统形式的石英晶体振荡器早已不能满足现今阶段的电子需求,小型化发展,高精度,高稳定度的发展势在必行.着也是考验各大晶振生产商的重要指标,

石英晶振除了压电效应以外，还有一个不能被忽略的特性，就是温漂。晶振的振荡频率会随着环境温度的变化发生微小的偏移，这是晶振固有的特性。正是由于温漂的存在，普通晶振的精度很难做的很高，常见的晶振精度多为40ppm，20ppm，很难做到10ppm以下。这种精度在一些对晶振精度要求不高的场合，如微处理器的时钟输入等，完全能够满足需求。但是在无线通信，蜂窝应用，广播电视等应用领域，需要时钟精确同步，普通晶振就很难满足系统需求了。

为了解决温漂带来的影响，系统就要选择精度更高的温补晶振或者恒温晶振。温补晶振是通过感应环境温度，然后将温度信息转换成控制量控制晶振的输出频率。现在的温补晶振多采用数字化技术，能够达到更精确的控制。而恒温晶振更进一步，将晶体置于恒温槽内，通过设置恒温工作点，使恒温槽保持一个恒温的状态，晶体在恒温槽内就可以不受外界温度的影响，大大提高晶振输出频率的稳定度。温补晶振和恒温晶振的输出精度都能够达到1ppm甚至更高。能够满足严苛的系统需求。

业内人士都知道,晶振可分为石英晶体谐振器和石英晶体振荡器,而音叉晶振属于石英晶体谐振器的一种,之所以被称为音叉晶振是因为其石英晶片外型类似于音叉形状.实际上,基本所有的电子信息技术产品都需要晶振来为其提供时钟频率,以供更好的工作.由此可见音叉晶振在电子信息技术产业中是怎样的地位.2011年全球音叉晶体谐振器的总产额达到一百亿颗,产值约为二十亿美金.据调查,同年我国的音叉晶体总产额大约为四十亿颗,产量为全球总产额的百分之四十左右.

假设在石英晶振中,对应于能态E2的集居数为N2对应于能态E1的集居数为N1,一个平面波对应的光子通量正沿着物质的轴向Z传播。由于受激吸收和受激辐射而产生的光子通冕的改变为:dF=oF(N2-N1)dZ

它表示:如果N2>N1,则dF/dZ>0。石英晶振起放大作用。如果N2<N1, 则dF/dz<0,石英晶振起衰减作用。在热平衡条件下,各能态的集居数是按玻尔兹曼分布,N2<N1所以,晶振总是以吸收为主。如果在特定情况下N2>N1。该石头晶体的受激辐射作用大于受激吸收作用,该物质就可以产生更多的光子通量而作为光放大器。这种特殊状态称之集居数反转,指与通常状态的集居数分布不同。

在国内外针对石英晶振生产工艺和理论研究做出了很多验证,主要有三种技术,最早出现的是蒸发沉积和磁控溅射沉积表面电极以增加晶振质量,进而微调晶振的谐振频率。随着研究的不断进展,自20世纪80年代中期开始出现关于离子束刻蚀石英晶振频率微调技术的研究.下面CEOB2B晶振平台所要讲的是有关石英晶振蒸发频率微调技术的优缺点对比.

优点:

(1)设备简单,操作容易;(2)不会造成频率漂移,对实时测量影响较小。

缺点:

(1)镀层与基片的结合力差(2)坩埚容积小,不可能长时间、连续工作;(3)材料浪费,由于银的价格昂贵,而每次蒸发到基片表面上的材料不足30%,因而造成很大的浪费.

(4)初次镀银电极后的石英贴片晶振膜面已暴露过大气,使得表面落上灰尘、杂质颗粒,再加上银在高温时易被氧化,而微调新镀膜层又较溥,导致膜层结合力差, 易产生脱焊、固熔断线问题。这是蒸发沉积法进行频率微调的致命缺点,也是在实际生产中生产率低下的主要因素。膜层示意图如图1.2所示。

磁控溅射频率微调技术:溅射技术包括磁控溅射、直流溅射、射频溅射等多种,目前广泛应用于石英晶振频率微调的溅射技术是磁控溅射技术。

磁控溅射技术原理:磁控溅射是在真空条件下导入一定压力的惰性气体(Ar),阴阳极间形成一定强度的电场,并引入强磁场施加影响,使被阳离子轰击而溅射出的靶材金属粒子加速射向欲镀覆基片表面。

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1.MFM的应用14.5.6

磁记录介质材料是MFM研究最多的物质之一。事实上,在MFM发展初期,MFM首先用于各种磁记录介质和磁头,在很小的尺度上仔细研究写入的磁斑、记录的轨道、磁头磁场分布等,以分析和判断磁盘和磁头的性能。现在, MFM业已成为高密度磁盘常规测试的工具。超高密度磁存储技术的发展要求在纳米尺度研究磁性晶体的微结构及探测磁性晶体的单畴性,因而必须采用MFM。

Martin等人第一次利用MFM对Tb1 ofer薄膜(一种重要的磁光材料)中写入的磁畴结构(静磁场)作了研究,空间分辨率达到100nm。MFM也可对软磁膜的磁畴进行结构研究。MFM具有足够的灵敏度和分辨率来观察图像中波动结构等磁信息。针尖样品,石英晶振元件间距少于100nm时,还可清晰看到针尖诱导畴壁运动的证据。

再次,MFM能够用来观察磁粒子的微磁学性质和一些物质的磁壁结构近年来,利用MFM对有机铁磁体以及生物分子磁性的研究也已经引起科学工作者的广泛重视。

2.MFM研究中的一些问题

各种磁性材料磁力(梯度)图的准确测量。实际上这就要使磁针尖和样品匹配起来,尽可能减少磁针尖和样品的相互影响。

MFM的定量测量和磁畴结构的计算机模拟。MFM的定量测量,在很大的程度上是测定磁针尖的性质,如磁矩、弹性系数、品质因数等。但这是相当困难的,何况小小的磁针尖上还可能存在磁性微结构。这就要用校准的方法,并对针尖作合理的近似,才能开展对所测磁力图的解释、分析和计算机模拟工作。

MFM在1987年发明后的很短期间内,分辨率已达到50nm。但至今其现实的横向分辨率仍停留在50-20nm,表明在MFM现有的构架内分辨率已难以突破,要获得实质性的提高,需要有新的思想.

在前面的文章中我们了解到了GPS的应用以及高精密石英晶体振荡器在GPS内部所提供到的作用，GPS晶振的工作原理等等。晶振的作用随着科技的发展到如今已是无处不在,各种大大小小的智能科技产品都会用到石英贴片晶振.接下来我们要说到的是GPS信号失效后保持算法的研究以及与晶振之间的联系.

从前面文中介绍GPS接收机的相关介绍可知,1PPS信号可能在多种因素的作用下丢失。如果通过解码发现失效,应立即停止以它作为基准来驯服OCXO晶振,否则可能对OCXO晶振产生误调整,使系统产生很大的误差,但是这时OCXO晶振的输出频率精度会由于老化和温度等因素的影响而不断降低。为了解决这一问题,采用保持算法, 即在正常锁定过程中,实时记录晶振的频率随时间的漂移率,即确定石英晶体老化率曲线,再利用温度传感器,建立温度和频率漂移率的函数关系。当GPS信号失效后,根据以前正常驯服状态下记录的历史数据,通过合理的算法对OCXO晶振输出频率的变化趋势做出准确预测,进而在此基础上实现对频率误差的实时校正,以保证输出频率精度在可容忍的精度范围内,直到GPS信号恢复后再继续锁定晶振。

OCXO石英晶体振荡器的老化模型是非线性的,而其频率温度变化模型则可认为是线性的,并且可以利用 Kalman滤波器来对这两种模型的参数进行估计,进而可以实现GPS信号失效后OCXO晶振频率的预测校正。然而老化率的非线性是对于较长时间而言的,在短时间内比如说一天,老化模型也可以被简化为线性,这大大方便了算法上的处理关于OCXO石英晶体振荡器的驯服保持模型的原理框图如图5.3所示

图中的三个开关S1、S2、S3在卫星工作状态正常时均处于开启状态,OCX0石英晶体振荡器直处于驯服状态,并且预测模型一直处于工作模式。如果系统经过判断确定卫星信号丢失,而且当时已经完成锁定,系统便会处于保持模式,三个开关均闭合, 这样老化和温度预测模型可以根据其预测的结果并以自己本身的输出作为观测量的输入来实现频率偏差的预测。预测模型的最终输出是出四项叠加而成:驯服的初始校正量、老化模型的预测输出、温度影响模型的预测输出和温度模型的延迟补偿量.

为了实现1PPS信号失效后的保持,必须先将由老化和温度变化引起的影响量分离开来,而分离算法的确定与这两种影响的性质有密切关系。一般认为老化的影响属于慢变,而温度的影响则相对变化较快,即在频域,老化的影响处于低频段,温度的影响处于较高的频段,这样就可以将它们分离开来,即采用不同类型和带宽的数字滤波器就可以实现这两种影响的分离国,ⅢRF、IRF2和RF为滤波器, 其中IRF和IRF3为1阶的低通滤波器,IRF2为3阶的低通椭圆滤波。

图中的IRF1是用来同时通过锁定状态下由温度变化引起的校正量中的高频变化部分和老化引起的低频变化部分,其带宽应该由高频分量确定。在一般的应用环境下,温度的最大变化率可以达到10℃h,而这里所采用的OCXO贴片晶振的线性频率温度系数为6~8ppb/40℃,于是可以得到最大温度变化率引起的频率漂移率达到4.17~5.56×10-4ppb/s。所以IRF的带宽被设计为3×10-3ppb/s(3mHz),即是最大频率温度漂移率的5.4倍,这样就可以通过所需要的信号,并且针对校正信号中由GPS接收机引入的高频噪声,进行每10倍频10dB的衰。

IRF2用于从经过RF滤波后的校正量中分离出老化的影响,那么其带宽由反映老化的低频分量决定。这里采用的OCXO晶振的老化率为0.5ppbd或者58×10-6ppb/s,所以IIRF2的带宽被设计为3×10-5ppbs(0.03mHz),即为秒老化率的5.2倍,并且其阻带衰减最小为50dB,带内波动为1.5dB,这样可以较好的过滤掉温度的影响。IRF2的输出直接输入给了老化的 Kalman预测模型,并且将其从IRFl的输出中减掉,可以提取出温度的影响。

IRF用和RF完全相同的设计,主要用来进一步抑制GPS接收机引入的噪声和消除IRF2输入输出信号的数字相减带来的毛刺。由于IRF1和IRF2处于温度影响预测模型的输入通道上,会使得校正量的预测产生延迟,使预测滞后于IRFl的输入信号。因此有必要在温度预测模型的输出加上一个延迟补偿模块,由它在保持模式时计算出相应的补偿量,并叠加到预测模型的输出信号上来消除延迟的影响。这里的延迟补偿量由温度预测模型输出的变化率和滤波器的延迟量相乘来得到,而滤波器的延迟量的最优估计为个小时,温度预测模型输出变化率由其输出对于时间的一阶微分的100点滑动平均来得到,其中每秒采集一个数据。

在进行系统测试时,被锁晶振采用高稳定度恒温晶体振荡器(10MHz±3Hz),GPS接收机选用LASSEN IQ型,采用5585B-PRS型铯原子频标作为频率参考,该铯原子频标可输出10MHz信号,具有较好的频率准确度及稳定度,其频率准确度优于5×10-12,秒级频率稳定度优于1×10-11/s。

采用相位比对的方法来测试被锁石英晶振的相对频率准确度,测试连接图如图5.1所示。将被锁定的晶体振荡器的10MHz频率信号和铯原子频标产生的10MHz频率信号分别作为开关门信号输入到精密时间间隔测试仪HP5370B(分辨率为20ps) 进行比对测试,HP5370B输出的时间间隔值与两个比对信号的相位差成正比。该时间间隔值的变化反映了两个信号的相位差的变化。计算相对频差的公式为:

其中,τ为取样周期;△T为在取样周期τ内两信号累积的相位差变化。由此式可以看出,△T的测量误差取决于HP5370B的时间间隔测量分辨率,最小为±20ps,也就是在ls闸门时间内相对晶振频率准确度为±2×10-11,但是随着采样时间r的增大,测量误差可以大大的减小,精度也不断提高。

由于天气等原因,对接收机工作有影响,所以做实验时适当选择比较好的天气。取样时间设定为40s,OCX0石英晶体振荡器在系统运行3小时后即进入锁定状态,开始对晶体振荡器锁定状态下与铯原子频标进行相位比对测试,记录系统连续工作10小时的数据,图5.2为OCXO晶振的频率准确度随时间的变化曲线。

从图5.2中可以看出,锁定后OCXO晶振的频率值在标称频率上下起伏,最大起伏约为9.0×10-11。通过计算,图5.2中所显示的频率平均准确度达到73×10-12,相对于所采用晶体振荡器的约5×10-10/d的老化率有明显改进,同时也说明晶振频率的漂移得到了一定程度的修正。

在进行石英贴片晶振频率稳定度测试时,由于实验室测频仪器测量的分辨率的有限,ls和10s的稳定度由直接测频法计算得到,而100s、1000s、5000s和10000S由比相间接测频法计算得到,相位比对数据采用上面图5.2中所采集的数据。锁定后, OCXO的频率稳定度测试结果如表5.1所示:

从表51中可以看出,锁定后的OCXO恒温晶体振荡器的短期稳定度基本保持了其本身的指标,而其中长期稳定度不是非常理想,这是由lPPS中存在的中长期相位漂移以及Kalman滤波和PID控制参数还不是很合理造成的,但总体较其本身指标,有一定程度的提高。因此,后续工作需要增大滤波时间常数,进一步继续优化 Kalman滤波和PID控制模型的参数,使得 Kalman滤波的收敛值更小,对OCXO晶振频率的调整幅度和频度更低。