SMD晶體的加速度靈敏度補償技術探究

逄杰 王占奎 李鵬 孟昭建 徐淑壹 牛占魯

中國電子科技集團公司第13研究所/第16專業部 河北 石家莊 050051

引言

晶體振蕩器是通訊系統的核心器件之一。為適應惡劣的外界環境，通訊系統要求晶體振蕩器在振動下的頻率變化盡量小。而與振動下頻率變化相關的一個關鍵指標，即是加速度靈敏度。雙晶體補償是一項優化晶體振蕩器加速度靈敏度的重要技術。現代通信對低功耗、小型化的要求使SMD晶體的使用越來越廣泛，但SMD晶體在雙晶體補償領域使用率不高。本文針對SMD晶體在加速度靈敏度補償方面的應用進行技術研究。測試結果顯示， 雙SMD晶體補償可實現加速度靈敏度2.0E-10/g的高指標要求。根據SMD晶體批次一致性、重復性好的特性，易于批量生產。

1 雙晶體加速度靈敏度補償的設計原理

如圖1所示，晶體的加速度靈敏度為一種矢量，即當加速度是沿著加速度矢量方向時，加速度引起的頻率偏移最大。

圖1 雙晶體加速度靈敏度補償的設計原理圖

2 SMD晶體的特點

SMD晶體結構如圖2所示，晶片一側有兩膠點，晶片另一側懸空。此結構特點造成晶體的加速度靈敏度差，約1.5E-9/g。

SMD晶體使用標準化工藝、全自動化設備進行生產，批次一致性、重復性好。此特點是SMD晶體得到普及使用的最大優勢，也是適用于雙晶體補償的重要特性。

圖2 SMD晶體結構圖

3 設計理論

3.1 雙晶體補償方式

雙SMD晶體補償的實現分以下幾步：

3.1.1 單SMD晶體加速度靈敏度測試。

3.1.2 選擇需進行加速度靈敏度補償的兩個方向，使用旋轉方式實現補償結構。

3.1.3 雙SMD晶體補償后加速度靈敏度測試。

3.2 晶體振蕩器設計

圖3為采用雙晶體加速度靈敏度補償技術的晶體振蕩器的主振原理圖，將常規主振電路設計中的一只晶體改為兩只晶體并聯。

4 測試

4.1 測試方法

振動試驗的測試系統如圖4所示。振動臺控制器接收到振動臺上加速度傳感器的振動信號，經過控制器的信號處理后把控制信號傳至功率放大器，使振動臺按照預先設置的振動條件進行振動。振動臺振動后使用信號源分析儀測量晶體振蕩器的相位噪聲[3]。

圖4 振動試驗測量系統框圖

振動條件：正弦，頻率40Hz，掃頻模式對數，掃頻率1oct/min，加速度峰值2g，位移0.62mm。

4.2 測試結果

晶體為SMD封裝的100MHz。

4.2.1 單SMD晶體測試。SMD晶體在3個方向振動下典型相位噪聲如圖5～圖7所示。SMD晶體在相同方向上的相位噪聲差異在±3dBc/Hz以內，參數一致性較好。

圖5 單SMD晶體在X方向振動時的典型相位噪聲

圖6 單SMD晶體在Y方向振動時的典型相位噪聲

圖7 單SMD晶體在Z方向振動時的典型相位噪聲

4.2.2 實現SMD補償結構。根據測試結果，加速度靈敏度指標由優到差依次為Y方向、Z方向、X方向，優先對Y方向、Z方向進行補償。

兩只晶體同向放置后，其中一個晶體繞X軸旋轉180°后，形成雙晶體補償結構。

4.2.3 雙SMD晶體補償后加速度靈敏度測試。雙SMD晶體在3個方向振動下相位噪聲如圖8～圖10所示。

圖8 雙SMD晶體補償在X方向振動時的相位噪聲

圖9 雙SMD晶體補償在Y方向振動時的相位噪聲

圖10 雙SMD晶體補償在Z方向振動時的相位噪聲

雙晶體補償后的Y方向、Z方向加速度靈敏度有很大優化。

類別 指標 X方向振動 Y方向振動 Z方向振動單SMD晶體 相位噪聲@40Hz -70.3630dBc/Hz -54.8597dBc/Hz -60.1524dBc/Hz加速度靈敏度估算 1.21E-10/g 7.23E-10/g 3.93E-10/g雙SMD晶體補償 相位噪聲@40Hz -71.7110dBc/Hz -67.2703dBc/Hz -70.6630dBc/Hz加速度靈敏度估算 1.04E-10/g 1.73E-10/g 1.17E-10/g

5 結束語

采用本文設計的SMD晶體的加速度靈敏度補償技術，晶體振蕩器的加速度靈敏度得到極大優化，最差方向的加速度靈敏度可滿足2.0E-10/g的高指標要求。此設計技術可廣泛應用于各類通信設備及系統中。