AT和SC哪種切割方式更合適OCXO晶振?
來源：http://m.hhamai.cn 作者：金洛鑫電子 2019年02月25
以往探討晶體切割方式時，提到最多的基本都是AT切割，因?yàn)檫@是切割晶體時，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)出來的晶振是一樣的，因此針對不同類型的晶振，會使用不同的切割，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。
SC切割：
伯爵埃爾尼斯于1976年在理論上對SC進(jìn)行了定義.Jack Kusters后來在1977年通過實(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，因此可以通過在phi方向上的第二次旋轉(zhuǎn)來減少或消除AT切割中看到的應(yīng)力。[2]通過計(jì)算，21.3°的phi旋轉(zhuǎn)將不會產(chǎn)生應(yīng)力引起的頻移。
圖2
在上轉(zhuǎn)折點(diǎn)切割A(yù)T的溫度曲線：
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。
圖4
下轉(zhuǎn)折點(diǎn)SC角的溫度曲線;
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)會帶來以下性能改進(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)。安裝件對晶片邊緣的應(yīng)力（壓縮或張力）導(dǎo)致頻率負(fù)向移動。隨著時間的推移，這種壓力會放松并導(dǎo)致頻率正向移動。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)動水平會加熱石英并在石英中產(chǎn)生應(yīng)力。SC允許在更改驅(qū)動器級別時降低頻率偏移。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)動電平的變化，SC切割顯示出較低的頻率偏移。
烤箱加熱會導(dǎo)致石英的熱梯度，OCXO過沖將減少。
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“過沖”。隨著壓力繼續(xù)穩(wěn)定，頻率將繼續(xù)移動，直到溫度梯度（由于烤箱）達(dá)到平衡。SC切割顯示出比AT切割更少的過沖。
重力會對石英施加應(yīng)力，導(dǎo)致沖擊或振動下的頻率偏移。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)行時看到運(yùn)動。這可以是諸如車輛或空中的移動應(yīng)用?；蛘呖梢栽谌魏螘l(fā)生沖擊或振動的應(yīng)用中指定。動量變化產(chǎn)生的機(jī)械力會影響OCXO恒溫晶振的頻率穩(wěn)定性。這通過力的量來量化為“G”（一個重力）。對于給定的應(yīng)用，可以指定每G的最小ΔF。安裝座中石英的應(yīng)力變化會導(dǎo)致頻率發(fā)生變化。對于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“G”，但如果在10G到1000G時出現(xiàn)振動或沖擊，則頻移應(yīng)乘以該數(shù)量。
烤箱的變化會導(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。
成本問題：
為什么SC削減比AT削減更昂貴？兩次輪換比一次更難。
切割操作勞動強(qiáng)度大，難以控制。隨著第二次旋轉(zhuǎn)（φ），θ角也旋轉(zhuǎn)。如果一個角度移動，第二個角度也會移動。
SC的角度公差比AT更嚴(yán)格。對于SC，θ角度窗口通常為0.7分鐘寬。對于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^冷焊或玻璃密封來完成，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，由于更多的勞動力和更低的AT產(chǎn)量，制造成本更高。
通過以上的討論和比較，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，仍然會使用SC切割。
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SC進(jìn)行了定義.Jack Kusters后來在1977年通過實(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，因此可以通過在phi方向上的第二次旋轉(zhuǎn)來減少或消除AT切割中看到的應(yīng)力。[2]通過計(jì)算，21.3°的phi旋轉(zhuǎn)將不會產(chǎn)生應(yīng)力引起的頻移。
圖2
圖3
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。
圖4
圖5
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)會帶來以下性能改進(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)。安裝件對晶片邊緣的應(yīng)力（壓縮或張力）導(dǎo)致頻率負(fù)向移動。隨著時間的推移，這種壓力會放松并導(dǎo)致頻率正向移動。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)動水平會加熱石英并在石英中產(chǎn)生應(yīng)力。SC允許在更改驅(qū)動器級別時降低頻率偏移。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)動電平的變化，SC切割顯示出較低的頻率偏移。
烤箱加熱會導(dǎo)致石英的熱梯度，OCXO過沖將減少。
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“過沖”。隨著壓力繼續(xù)穩(wěn)定，頻率將繼續(xù)移動，直到溫度梯度（由于烤箱）達(dá)到平衡。SC切割顯示出比AT切割更少的過沖。
重力會對石英施加應(yīng)力，導(dǎo)致沖擊或振動下的頻率偏移。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)行時看到運(yùn)動。這可以是諸如車輛或空中的移動應(yīng)用?；蛘呖梢栽谌魏螘l(fā)生沖擊或振動的應(yīng)用中指定。動量變化產(chǎn)生的機(jī)械力會影響OCXO恒溫晶振的頻率穩(wěn)定性。這通過力的量來量化為“G”（一個重力）。對于給定的應(yīng)用，可以指定每G的最小ΔF。安裝座中石英的應(yīng)力變化會導(dǎo)致頻率發(fā)生變化。對于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“G”，但如果在10G到1000G時出現(xiàn)振動或沖擊，則頻移應(yīng)乘以該數(shù)量。
烤箱的變化會導(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。
成本問題：
為什么SC削減比AT削減更昂貴？兩次輪換比一次更難。
切割操作勞動強(qiáng)度大，難以控制。隨著第二次旋轉(zhuǎn)（φ），θ角也旋轉(zhuǎn)。如果一個角度移動，第二個角度也會移動。
SC的角度公差比AT更嚴(yán)格。對于SC，θ角度窗口通常為0.7分鐘寬。對于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^冷焊或玻璃密封來完成，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 | 好 |
| 溫度穩(wěn)定性 | 最好 | 好 |
| 驅(qū)動電平靈敏度 | 最好 | 好 |
| G靈敏度 | 最好 | 好 |
| 頻率過沖 | 最好 | 好 |
| 音量/可用性 | 好 | 最好 |
| 交貨時間 | 好 | 最好 |
| 成本 | 更高 | 降低 |
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