硅振荡器特性分析研究

张娟娟，张丕状

（中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室， 山西太原 030051）

0 引言

对于在车载装备、侵彻弹药等高过载条件下工作的电子系统，要求振荡器在经受高强度的加速度冲击之后仍能正常工作，在这种情况下，耐高过载便成为其中所包含的电子分系统、电子整件、部件及电子元器件的一项必不可少的基本要求[1]。而时钟作为微电子的关键部分在定位、同步、数据传输等方面更对其可靠性和稳定度提出了越来越高的要求[2]。

在高过载环境下，由于石英晶体振荡器本身的机械特性，它在100000g的情况下，自身就有损坏的可能[3-4]。而硅振荡器不依靠机械谐振组件，不像RC电路那样受到性能欠佳问题的阻扰，标准的硅片制造和组装技术意味着，硅振荡器本身不受冲击和震动影响，也没有磨损问题[5-7]。

为了定性测量分析硅振荡器的实际频率值、抖动范围、温漂的特性，由于单独在示波器上观察频率是8.013 MHz硅的温漂和抖动是很困难的，所以本实验选用8 MHz的晶振与硅振荡器通过鉴相器利用频率差来实现研究硅振荡器特性的目的。

1 实验原理

硅振荡器和石英晶振的数学输出模型[8]为：

其中u1(t)是晶振的数学模型，u2(t)是硅振荡器的模型，而Δw是硅振荡器随温度变化的角频率。它们通过鉴相器得到：

和：

然后再通过低通滤波器将第二项滤除，最后输出：

根据以上公式可知，Δw相对于w2是很小的，想要直观的测出来是有困难的，而在uo(t)中，Δw相对于w2-w1而言就比较明显了。

2 实验结果与分析

实验中选用MAX7375的硅振荡器和KSS的晶振，设计了相关电路以实现鉴相的功能。

(1)标称值的测量

由于硅振荡器标称值与实际值的误差，专门将高精度的8 MHz晶振与标称值也是8 MHz的硅振荡器作为鉴相器的输入结果uo(t)的输出频率为13 kHz，又通过将硅振荡器与频率可调的信号发生器作为鉴相器的输入，当信号发生器频率调到7.995 MHz时，uo(t)的输出频率约为18 kHz；当将频率调到8.010 MHz时，uo(t)的输出频率约为3 kHz。得出硅振荡器的实际频率为8.013 kHz。

(2)温度变化实验

首先是通过用电烙铁对MAX7375的加热，来观察uo(t)的图形变化（见图1～图8）。

图1 加热前

图2 加热中（1）

图3 加热中（2）

图4 频率值（1）

图5 频率值（2）

图6 频率值（3）

图7 加热恢复（1）

图8 加热恢复（2）

图中，左边密虚线是t1，右边疏线是t2，t1的坐标是-4.400 μs保持不变，在图1、图2、图3中，t2的坐标都是62.40 μs不变，具体的频率值波形为图4、图5、图6、图7、图8中将t2线对准一个周期时的波形。

图1是未加热时的图，频率是14.97 kHz，图2、图3是加热过程中变化趋势图，图4、图5、图6是变化的具体频率值。图4、图5、图6中t1与t2的间隔Δt依次是48.80 μs、46.40 μs、43.60 μs，对应的频率值为 20.49 kHz、21.59 kHz、22.95 kHz，随着温度的升高频率值变大；图7和图8是在加热终止后温度恢复正常的波形，由图7的22.94 kHz慢慢恢复到图8的14.97 kHz。用温度传感器测得温度由室温的300℃升高到700℃，频率变化由14.97 kHz变化到22.95 kHz。

(3)抖动测量实验

通过分别输入8M晶振和8.013M硅振荡器、8M晶振和信号发生器输出8.013M的波形对比得出硅振荡器的抖动范围。波形如图9～图13所示。

图9 信号发生器波形

图10 频率合成波形

图11 抖动（1）

图12 抖动（2）

图13 抖动（3）

其中图9是信号发生器输出的8.013 MHz的波形，图10是它和晶振的输出结果，多次采样都保持为此图形，几乎没有抖动；而硅振荡器和晶振的输出波形可以清晰的观察到频率抖动明显。图11、图12、图13是其中选取的3个变化较大的波形图，Δt依次是70.80 μs、70.40 μs和62.40 μs，对应的频率为14.12 kHz、14.20 kHz和16.03 kHz。

由以上实验得出硅振荡器随着温度的升高频率变大，当温度变低时又能恢复原来的频率；抖动频率值为由最小的13 kHz到最大的16.03 kHz。

3 结论

本文选用的鉴相器以及所设计的电路可以清楚地观察到硅振荡器频率随温度的变化以及抖动，并且用此方法测得了标称值为8 MHz的硅振荡器实际频率值为8.013 kHz，并且测得：通过外界温度的变化硅振荡器的频率呈上升状态，当恢复为原来的温度时其频率也复原，在温度由300℃升高到700℃的ΔT是400℃，而频率值由14.97 kHz变化到22.95 kHz的Δf是7.98 kHz，温漂约为25 ppm/℃；通过多次采样的实验波形观察得其相位抖动约为47psp-p。

本实验得出的硅振荡器将为后期的在高过载条件下使用硅振荡器提供有利条件。

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