频率激发性跳变（Activity Dip）

频率激发性跳变（Activity Dip）

--定义、产生机理、影响及改善措施等的探讨

杜良桢

中兴通讯股份有限公司

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摘要：随着现代通信系统对通信质量不断提高的要求，频率跳变（Dip）的问题已提到议事日程，本文对石英晶体振荡器的频率跳变（Dip）的定义、产生机理、对晶振性能的影响及改善的措施、测量方法和评判标准的现状等做了探讨。

关键词：频率跳变  激发性跳变  振动模式  泛音  频率-温度特性  串联等效电阻-温度特性

Key Words：Dip   Activity Dip   Modes of Motion   Overtone   Frequency vs Temperature Characteristic   Resonance vs Temperature Characteristic

     关于石英晶体振荡器的频率跳变（即Dip）的问题，通过理论学习和实验案例的分析，查阅国外有关文献，对dip的定义、产生机理、对晶振性能的影响及改善的措施、测量方法和评判标准的现状等做了一些探讨。以下是一个提纲性的总结，供参考，欢迎批评指导。

（一）

    首先介绍一下跳变（dip）的概念，在国际标准 60444-7  IEC:2004(E) Part 7中，对Dip有如下定义：

1、激发性跳变（Activity Dip）：石英晶体器件的负载谐振频率以及（或者）谐振电阻在一个窄的温度范围内和一个特定的负载电容及驱动电平条件下由于不同振动模式的耦合引起的意外变化（见图一及图二）。

图一 频率幅度的偏差值                     

                            图二 谐振电阻的偏差值

2、频率跳变（Frequency Dip 或 Bandbreak）：发生在一个窄的温度范围内的晶体频率的不期望的扰动或起伏，它是负载串联频率对平滑而规则的频率温度特性曲线的偏离，用一个多达五阶的多项式描述。它通常表示一种相关联的阻抗的变化（见图二），该效应通常与驱动电平具有相关性。

（二）

石英晶体是通过压电效应来实现频率输出的，即在交变电压作用下产生机械变形，在机械变形时产生电压，当变化的频率等于谐振器的谐振频率时其幅度最大而实现稳定振荡。同一晶片在不同条件下会有不同形式的机械变形形式，如AT切晶体，我们一般利用其厚度切变，但也可能产生弯曲切变、面切变，伸缩切变等等，如图三所示。SC切的频谱也比较复杂，存在A、B、C等多种振动形式。不同的切变形式可产生不同的频率输出。同一种切变也存在基频和泛音频率以及一些寄生振荡（spurious response）。

图三 石英晶体的不同振动模式

图四表示一个石英晶体谐振器的振动模式谱线，显示出基模、三次泛音、五次泛音以及一些杂散响应（spurs）即无用的振动模式。

图四 石英晶体振荡器的泛音响应

我们设计振荡器时要选择某种我们需要的振荡模式和振荡频率，同时尽量抑制和避免某些不希望有的振动模式。在振荡器的应用中，总是使我们需要的振荡模式最强。而某些无用的振动模式具有陡峭的频率温度特性。有时候，当温度变化时，在某一个温度点上，无用的振动模式的频率恰好跟振荡器的振荡频率重合，由此引起频率激发性跳变（Activity Dip）。在发生激发性跳变时，无用的振动模式的激励在谐振器中引起了额外的能量散失，这就引起了Q值的降低，串联等效电阻的增加以及振荡器频率的变化。当等效电阻的增加足够大时，振荡停止，即振荡器失效。当温度变化离开激发性跳变温度点后，振荡重新开始。

激发性跳变通常是由干扰振荡模式（例如由高次泛音弯曲振动模）引起的。这种激发性跳变受晶体的驱动电平和负载电抗强烈的影响。激发性跳变的温度点是C_L的一个函数，因为干扰振动模的频率通常有一个大的温度系数和等效电容C₁，而这个电容与我们想得到的等效电容值是不同的。当干扰模的频率与主模的频率重合时，能量从主模失去，而激发性跳变发生。

在带或不带负载电容运行时存在频率温度特性和串联等效电阻温度特性的激发性跳变。跳变温度点是C_L的一个函数，该函数说明，跳变是由一个具有大的负温度系数的振动模（可能是弯曲振动模）引起的。

戏剧性的激发性跳变也可以由于加工问题，即松弛的电极接触引起。这种跳变通常随温度循环而变化，跟负载电容无关。

如前所述，在频率-温度特性和电阻-温度特性中的畸变，被称作激发性跳变。如图五所

示，被标定为f_R 和 R₁的曲线是不带负载电容的频率-温度特性和等效电阻-温度特性的曲

线。f_L 和 R_L 曲线是同一谐振器当负载电容跟谐振器串联时的频率-温度特性和等效电阻-温度特性的曲线。负载电容把频率移动到较高的数值。

图五 激发性跳变

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