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首頁(yè)常見問(wèn)題 AT和SC哪種切割方式更合適OCXO晶振?

AT和SC哪種切割方式更合適OCXO晶振?

來(lái)源:http://m.diker.cn 作者:金洛鑫電子 2019年02月25
   以往探討晶體切割方式時(shí),提到最多的基本都是AT切割,因?yàn)檫@是切割晶體時(shí),比較常用的一種,今天討論的主題是OCXO晶振的切割,分別有兩種AT和SC。不同的切割方式,生產(chǎn)出來(lái)的晶振是一樣的,因此針對(duì)不同類型的晶振,會(huì)使用不同的切割,OCXO也叫做烤箱恒溫晶體振蕩器,制造商一般采用SC,但AT切口有不同的溫度穩(wěn)定性曲線,將兩者用來(lái)比較,本文主要分析SC和AT切割的性能,成本兩大方面的比較,看看哪種更適合用于OCXO設(shè)計(jì)。為了方便比較,下圖表示了AT和SC。
ATSC1.jpg
圖1
   可以看出,AT是寬溫度范圍內(nèi)的首選切口。在25°C(拐點(diǎn)溫度)附近對(duì)稱,可以產(chǎn)生在-55°C至125°C范圍內(nèi)具有良好穩(wěn)定性的角度.C切割的拐點(diǎn)溫度為92°C,在較熱端非常平坦,但尾部關(guān)閉很快就冷了。對(duì)于OCXO應(yīng)用,晶振的工作溫度通常在80-100°C的范圍內(nèi)。
SC切割:
   伯爵埃爾尼斯于1976年在理論上對(duì)SC進(jìn)行了定義.Jack Kusters后來(lái)在1977年通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)[1]。切割是雙旋轉(zhuǎn)并且由θ=34.11度和phi=21.93度定義。
   字母SC代表“壓力補(bǔ)償”。由于石英是各向異性的,因此可以通過(guò)在phi方向上的第二次旋轉(zhuǎn)來(lái)減少或消除AT切割中看到的應(yīng)力。[2]通過(guò)計(jì)算,21.3°的phi旋轉(zhuǎn)將不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力引起的頻移。
ATSC4.jpg
圖2
在上轉(zhuǎn)折點(diǎn)切割A(yù)T的溫度曲線:
ATSC3.jpg
圖3
   在OCXO振蕩器應(yīng)用中,AT切割角度由零斜率點(diǎn)或轉(zhuǎn)折點(diǎn)定義。轉(zhuǎn)折點(diǎn)和爐控制的斜率是頻率穩(wěn)定性的主要變量。溫度通常設(shè)定在規(guī)格要求的上限環(huán)境溫度10°C。對(duì)于0-70°C應(yīng)用,烤箱設(shè)置為85°C+/-5°C。指定轉(zhuǎn)折點(diǎn)角度以匹配烤箱溫度。
   在圖3中,我們還顯示每條曲線的局部斜率為轉(zhuǎn)折點(diǎn)±1°C。如果烤箱控制低于AT切割晶體轉(zhuǎn)折點(diǎn)的±1°C,這使OCXO設(shè)計(jì)人員能夠看到預(yù)期的穩(wěn)定性。如果烤箱可以保持更緊密,那么可以實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)格的穩(wěn)定性。
在削減:
   AT切割是業(yè)內(nèi)最常用的切割角度。它在很寬的溫度范圍內(nèi)具有非常好的性能。切割是在35°θ旋轉(zhuǎn)的Y桿上進(jìn)行的。
ATSC2.jpg
圖4
下轉(zhuǎn)折點(diǎn)SC角的溫度曲線;
ATSC5.jpg
圖5
   在上面的SC曲線(θ等效)中,注意曲線的局部斜率與前面顯示的AT曲線相比。斜率的5倍改善是SC切割用于更嚴(yán)格的穩(wěn)定性應(yīng)用的一個(gè)原因。還要注意角度分布更緊密,以實(shí)現(xiàn)OCXO石英晶振所需的典型烤箱范圍內(nèi)的調(diào)諧點(diǎn)。
SC削減了性能改進(jìn):
   如上所述,SC削減是壓力補(bǔ)償。減少石英晶體中的應(yīng)力效應(yīng)會(huì)帶來(lái)以下性能改進(jìn)[3]:
   安裝座上的機(jī)械應(yīng)力(壓縮),導(dǎo)致頻移更少,降低衰老。
   石英晶體諧振器單元中的老化始終是高穩(wěn)定性器件中的關(guān)注點(diǎn)。安裝件對(duì)晶片邊緣的應(yīng)力(壓縮或張力)導(dǎo)致頻率負(fù)向移動(dòng)。隨著時(shí)間的推移,這種壓力會(huì)放松并導(dǎo)致頻率正向移動(dòng)。SC切割使這種頻率偏移最小化,并且比AT切割產(chǎn)生更好的老化。
   較高的驅(qū)動(dòng)水平會(huì)加熱石英并在石英中產(chǎn)生應(yīng)力。SC允許在更改驅(qū)動(dòng)器級(jí)別時(shí)降低頻率偏移。石英中的摩擦損失轉(zhuǎn)化為熱量。局部熱量(在電極區(qū)域下)設(shè)定石英中的熱梯度和應(yīng)力。更多的驅(qū)動(dòng)器等于更多的熱量。這種壓力導(dǎo)致頻率發(fā)生變化。由于驅(qū)動(dòng)電平的變化,SC切割顯示出較低的頻率偏移。
   烤箱加熱會(huì)導(dǎo)致石英的熱梯度,OCXO過(guò)沖將減少。
   在OCXO恒溫晶振中,烤箱設(shè)計(jì)用于加熱石英裝置并使其保持恒定溫度。在最初的預(yù)熱期間,烤箱加熱器以100%的功率運(yùn)行以縮短預(yù)熱時(shí)間。在此期間,石英中的溫度梯度最差,導(dǎo)致石英中的應(yīng)力。一旦烤箱達(dá)到設(shè)定溫度(通常為85°C),頻率將繼續(xù)超出設(shè)定頻率。這稱為“過(guò)沖”。隨著壓力繼續(xù)穩(wěn)定,頻率將繼續(xù)移動(dòng),直到溫度梯度(由于烤箱)達(dá)到平衡。SC切割顯示出比AT切割更少的過(guò)沖。
   重力會(huì)對(duì)石英施加應(yīng)力,導(dǎo)致沖擊或振動(dòng)下的頻率偏移。降低G靈敏度。
   在高穩(wěn)定性應(yīng)用中,G靈敏度非常重要,可以在運(yùn)行時(shí)看到運(yùn)動(dòng)。這可以是諸如車輛或空中的移動(dòng)應(yīng)用?;蛘呖梢栽谌魏螘?huì)發(fā)生沖擊或振動(dòng)的應(yīng)用中指定。動(dòng)量變化產(chǎn)生的機(jī)械力會(huì)影響OCXO恒溫晶振的頻率穩(wěn)定性。這通過(guò)力的量來(lái)量化為“G”(一個(gè)重力)。對(duì)于給定的應(yīng)用,可以指定每G的最小ΔF。安裝座中石英的應(yīng)力變化會(huì)導(dǎo)致頻率發(fā)生變化。對(duì)于SC切割,可以滿足幾十ppb/G的規(guī)格。AT減少了10倍。這些數(shù)字見于一個(gè)“G”,但如果在10G到1000G時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)或沖擊,則頻移應(yīng)乘以該數(shù)量。
   烤箱的變化會(huì)導(dǎo)致小的瞬態(tài),導(dǎo)致熱應(yīng)力,降低短期穩(wěn)定性。
   在OCXO烤箱中,烤箱溫度控制盡可能緊密。如果外部溫度發(fā)生變化,烤箱會(huì)做出反應(yīng)以補(bǔ)償這種變化。這些變化很快發(fā)生,通常非常小,但會(huì)在石英中產(chǎn)生溫度瞬變和熱應(yīng)力。應(yīng)力影響頻率漂移.CC切割對(duì)此瞬態(tài)的反應(yīng)較小,從而產(chǎn)生更好的短期穩(wěn)定性。
SC需要更嚴(yán)格的校準(zhǔn):
   SC切割具有較低的Cm值(在給定頻率下)與AT切割相比較。這意味著電路中的頻率拉低更少,從而導(dǎo)致更嚴(yán)格的校準(zhǔn)要求。SC需要校準(zhǔn)至少比同等AT切割低3倍,以便設(shè)置振蕩器的頻率。
成本問(wèn)題:
   為什么SC削減比AT削減更昂貴??jī)纱屋啌Q比一次更難。
   切割操作勞動(dòng)強(qiáng)度大,難以控制。隨著第二次旋轉(zhuǎn)(φ),θ角也旋轉(zhuǎn)。如果一個(gè)角度移動(dòng),第二個(gè)角度也會(huì)移動(dòng)。
   SC的角度公差比AT更嚴(yán)格。對(duì)于SC,θ角度窗口通常為0.7分鐘寬。對(duì)于80-90°C的類似轉(zhuǎn)折點(diǎn)范圍,AT角大約為4.0分鐘。更緊密的角度具有更多的產(chǎn)量損失.CC切割具有額外的研磨操作由于SC的非常緊密的θ要求,在鋸切操作之后晶片有時(shí)被“角度校正”。這種增加的操作提高了產(chǎn)量但增加了人工成本。
SC可以實(shí)現(xiàn)更高的Q值:
   盡管不是與應(yīng)力相關(guān)的效應(yīng),但是SC降低Cm值導(dǎo)致晶體中的Q更高。較高的Q導(dǎo)致石英晶體振蕩器中更好的相位噪聲,這在高穩(wěn)定性應(yīng)用中是非常期望的。
SC需要真空密封外殼:
   SC切口對(duì)壓力敏感,需要真空密封外殼以允許更低的阻力和更高的Q.AT切割將受益于真空密封,但SC幾乎總是需要這樣才能獲得適當(dāng)?shù)男阅堋U婵彰芊馔ǔMㄟ^(guò)冷焊或玻璃密封來(lái)完成,這是更昂貴的包裝。
SC振蕩器需要頻率陷阱:
   SC切割晶體在C模式下運(yùn)行。必須捕獲同樣強(qiáng)大的第二模式B模式,以避免電路在錯(cuò)誤的頻率上運(yùn)行。這種額外的電路成本更高,占用更多空間。
   我們已經(jīng)討論了AT和SC切割晶體的差異。在Oscillator應(yīng)用中,SC切割可帶來(lái)更好的溫度穩(wěn)定性(<10ppb)。SC切割也可以實(shí)現(xiàn)更好的老化(<2ppb/天)。SC切割具有更高的Q值,從而實(shí)現(xiàn)更低的相位噪聲。為了實(shí)現(xiàn)SC的這些性能提升,由于更多的勞動(dòng)力和更低的AT產(chǎn)量,制造成本更高。

性能 SC切割 AT Cut
老化 最好
溫度穩(wěn)定性 最好
驅(qū)動(dòng)電平靈敏度 最好
G靈敏度 最好
頻率過(guò)沖 最好
音量/可用性 最好
交貨時(shí)間 最好
成本 更高 降低
   通過(guò)以上的討論和比較,得出的結(jié)論是SC切割明顯更適合恒溫晶體振蕩器,但是成本會(huì)比較好,AT切割成本低,差異也不是很大,而且方便量產(chǎn),AT跟SC切割都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),但大部分的晶振廠家為了其性能更好,更穩(wěn)定,仍然會(huì)使用SC切割。
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