逄杰 王占奎 李鹏 孟昭建 徐淑壹 牛占鲁

中国电子科技集团公司第13研究所/第16专业部 河北 石家庄 050051

引言

晶体振荡器是通讯系统的核心器件之一。为适应恶劣的外界环境，通讯系统要求晶体振荡器在振动下的频率变化尽量小。而与振动下频率变化相关的一个关键指标，即是加速度灵敏度。双晶体补偿是一项优化晶体振荡器加速度灵敏度的重要技术。现代通信对低功耗、小型化的要求使SMD晶体的使用越来越广泛，但SMD晶体在双晶体补偿领域使用率不高。本文针对SMD晶体在加速度灵敏度补偿方面的应用进行技术研究。测试结果显示， 双SMD晶体补偿可实现加速度灵敏度2.0E-10/g的高指标要求。根据SMD晶体批次一致性、重复性好的特性，易于批量生产。

1 双晶体加速度灵敏度补偿的设计原理

如图1所示，晶体的加速度灵敏度为一种矢量，即当加速度是沿着加速度矢量方向时，加速度引起的频率偏移最大。

图1 双晶体加速度灵敏度补偿的设计原理图

2 SMD晶体的特点

SMD晶体结构如图2所示，晶片一侧有两胶点，晶片另一侧悬空。此结构特点造成晶体的加速度灵敏度差，约1.5E-9/g。

SMD晶体使用标准化工艺、全自动化设备进行生产，批次一致性、重复性好。此特点是SMD晶体得到普及使用的最大优势，也是适用于双晶体补偿的重要特性。

图2 SMD晶体结构图

3 设计理论

3.1 双晶体补偿方式

双SMD晶体补偿的实现分以下几步：

3.1.1 单SMD晶体加速度灵敏度测试。

3.1.2 选择需进行加速度灵敏度补偿的两个方向，使用旋转方式实现补偿结构。

3.1.3 双SMD晶体补偿后加速度灵敏度测试。

3.2 晶体振荡器设计

图3为采用双晶体加速度灵敏度补偿技术的晶体振荡器的主振原理图，将常规主振电路设计中的一只晶体改为两只晶体并联。

4 测试

4.1 测试方法

振动试验的测试系统如图4所示。振动台控制器接收到振动台上加速度传感器的振动信号，经过控制器的信号处理后把控制信号传至功率放大器，使振动台按照预先设置的振动条件进行振动。振动台振动后使用信号源分析仪测量晶体振荡器的相位噪声[3]。

图4 振动试验测量系统框图

振动条件：正弦，频率40Hz，扫频模式对数，扫频率1oct/min，加速度峰值2g，位移0.62mm。

4.2 测试结果

晶体为SMD封装的100MHz。

4.2.1 单SMD晶体测试。SMD晶体在3个方向振动下典型相位噪声如图5～图7所示。SMD晶体在相同方向上的相位噪声差异在±3dBc/Hz以内，参数一致性较好。

图5 单SMD晶体在X方向振动时的典型相位噪声

图6 单SMD晶体在Y方向振动时的典型相位噪声

图7 单SMD晶体在Z方向振动时的典型相位噪声

4.2.2 实现SMD补偿结构。根据测试结果，加速度灵敏度指标由优到差依次为Y方向、Z方向、X方向，优先对Y方向、Z方向进行补偿。

两只晶体同向放置后，其中一个晶体绕X轴旋转180°后，形成双晶体补偿结构。

4.2.3 双SMD晶体补偿后加速度灵敏度测试。双SMD晶体在3个方向振动下相位噪声如图8～图10所示。

图8 双SMD晶体补偿在X方向振动时的相位噪声

图9 双SMD晶体补偿在Y方向振动时的相位噪声

图10 双SMD晶体补偿在Z方向振动时的相位噪声

双晶体补偿后的Y方向、Z方向加速度灵敏度有很大优化。

类别 指标 X方向振动 Y方向振动 Z方向振动单SMD晶体 相位噪声@40Hz -70.3630dBc/Hz -54.8597dBc/Hz -60.1524dBc/Hz加速度灵敏度估算 1.21E-10/g 7.23E-10/g 3.93E-10/g双SMD晶体补偿 相位噪声@40Hz -71.7110dBc/Hz -67.2703dBc/Hz -70.6630dBc/Hz加速度灵敏度估算 1.04E-10/g 1.73E-10/g 1.17E-10/g

5 结束语

采用本文设计的SMD晶体的加速度灵敏度补偿技术，晶体振荡器的加速度灵敏度得到极大优化，最差方向的加速度灵敏度可满足2.0E-10/g的高指标要求。此设计技术可广泛应用于各类通信设备及系统中。