企業(yè)博客
更多>>康比電子介紹精密石英晶體振蕩器
來源：http://www.fengxong.cn 作者：康比電子 2018年12月10
自從使用石英晶振作為頻率控制裝置以來,人們一直在尋求提高其溫度穩(wěn)定性.在簡要回顧晶體振蕩器溫度補(bǔ)償?shù)臍v史之后,本文將描述TCXO溫度補(bǔ)償技術(shù)和相關(guān)晶體諧振器的現(xiàn)狀.當(dāng)?shù)谝粋€(gè)晶體振蕩器在20世紀(jì)20年代制造時(shí),僅有的晶體,如X切割晶體,顯示出較差的溫度性能.AT切割晶體的發(fā)展是使溫度補(bǔ)償可行的重要一步,[1].AT切割提供了以+25°C為中心的相對(duì)平坦的頻率-溫度曲線.直到大約20世紀(jì)40年代中期,晶體的老化和溫度特性還不足以進(jìn)行精確校正,這符合[2].漏封裝導(dǎo)致老化漂移差,晶體板和晶片設(shè)計(jì)中的缺陷產(chǎn)生了具有嚴(yán)重活性下降和耦合模式的晶體[3].這產(chǎn)生了嚴(yán)重的頻率擾動(dòng),限制了任何補(bǔ)償嘗試的有效性.但是石英板設(shè)計(jì)和晶體封裝的進(jìn)步,如冷焊支架,使得每天生產(chǎn)頻率相對(duì)于溫度曲線和老化速率低至1×10(或1×10pm)的晶體成為可能.
■熱敏電阻/電阻網(wǎng)絡(luò)
補(bǔ)償
熱敏電阻/電阻TxOs是50年來晶體振蕩器溫度補(bǔ)償?shù)闹饕е?一個(gè)或多個(gè)熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的校正電壓抵消了壓控振蕩器的頻率-溫度變化.電壓可變電容變?nèi)荻O管的引入,以及負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的改進(jìn),使得能夠更精確地補(bǔ)償晶體[4].早在1961年,薪酬比率就達(dá)到了100比1以上.這表明在溫度范圍內(nèi)峰峰值偏差為40ppm的晶體可以被混合
補(bǔ)償?shù)?.4ppm的水平.如今,兩個(gè)數(shù)量級(jí)的比率大約是熱敏電阻/電阻補(bǔ)償?shù)臉O限,盡管通過改進(jìn)的自動(dòng)化系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)分析能力,達(dá)到這一水平變得更加容易.但是即使在今天,要達(dá)到高于0.5ppm的穩(wěn)定性,需要多次溫度運(yùn)行和至少三個(gè)熱敏電阻的重復(fù)網(wǎng)絡(luò)調(diào)整.使用電阻微調(diào)或熱敏電阻靈敏度的數(shù)字調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償過程自動(dòng)化的一些嘗試在[5]中取得了一定的成功,但是這些配置不容易集成到小封裝尺寸要求中.
■數(shù)字溫度補(bǔ)償
到了20世紀(jì)70年代末,集成電路技術(shù)的進(jìn)步使得利用模數(shù)轉(zhuǎn)換和固態(tài)存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)[6].雖然以今天的標(biāo)準(zhǔn)來看,這些實(shí)現(xiàn)是粗糙的,但是數(shù)字TCXO晶振的性能超過了0.1ppm,是由包括洛克威爾•柯林斯和格林雷晶振工業(yè)公司在內(nèi)的幾家公司生產(chǎn)的.多年來,開發(fā)了其他數(shù)字實(shí)現(xiàn),其中許多具有嵌入式計(jì)算能力,便于校準(zhǔn)和系統(tǒng)操作.一些采用了精心設(shè)計(jì)的溫度測(cè)量方案,如雙模晶體自適應(yīng)溫度感應(yīng).雖然這些設(shè)計(jì)中的一些實(shí)現(xiàn)了0.05PPM或更高的溫度穩(wěn)定性,但是它們是1PPM
隨著大規(guī)模集成的能力不斷擴(kuò)展,將溫度補(bǔ)償所需的更多功能納入單個(gè)IC成為可能.這導(dǎo)致了目前的ASICs的出現(xiàn),這種ASICs只允許用兩個(gè)組件來構(gòu)造精確的模擬TCXO:ASIC加上石英晶體.
TCXO應(yīng)用中出現(xiàn)的最新設(shè)備是復(fù)雜的大規(guī)模集成電路,結(jié)合了精密模擬功能、非易失性數(shù)字存儲(chǔ)、變?nèi)荻O管和RF振蕩器電路[7].圖2展示了通用設(shè)備的框圖.盡管第一代制造導(dǎo)致了相對(duì)較大的芯片,但幾何尺寸的減少產(chǎn)生了更小的集成電路,使得一個(gè)完整的精密TCXO能夠封裝在一個(gè)小至5032貼片晶振的封裝中.■多項(xiàng)式函數(shù)發(fā)生器
ASIC的核心是多項(xiàng)式函數(shù)發(fā)生器引擎.目標(biāo)是產(chǎn)生一個(gè)溫度變化電壓,該電壓將與在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持振蕩器頻率準(zhǔn)確正常所需的VCXO電壓相匹配.從線性溫度傳感器開始,然后使用一系列模擬乘法,模擬高階多項(xiàng)式的系數(shù).該功能描述為:
-f/f(T)=A0+a1(T-Ti)+a2(T-Ti)+a3(T-Ti)+a4(T-Ti)+a5(T-Ti)
其中A0至a5是要生成的多項(xiàng)式的系數(shù),T是當(dāng)前溫度,Ti是晶體的拐點(diǎn)溫度(晶體曲線相對(duì)于上下轉(zhuǎn)折點(diǎn)居中的溫度,通常在+26°C左右).
校準(zhǔn)變量的調(diào)整范圍,以覆蓋AT切割晶振隨溫度變化的角度.所有溫度都參考晶體拐點(diǎn)溫度.系數(shù)值作為數(shù)字存儲(chǔ)在芯片上的非易失性寄存器中.雖然理想的AT晶體應(yīng)該遵循三階曲線,但電路和晶體中的非線性要求包含高階項(xiàng),以便獲得與所需補(bǔ)償電壓曲線的匹配.晶體拐點(diǎn)溫度在匹配曲線時(shí)很重要,并且是必須可編程的變量之一,以便使用更大范圍的晶體.一些小型帶狀晶體可能具有高達(dá)40°C的彎曲,這可能會(huì)使精確的曲線擬合變得困難.
■集成振蕩器功能
除了函數(shù)發(fā)生器,所有其他振蕩器功能都包含在最新的芯片中.精密低壓降(LDO)穩(wěn)壓器為所有片內(nèi)電路供電.由于必須保持穩(wěn)定的電壓以實(shí)現(xiàn)所需的頻率穩(wěn)定性,精確的基準(zhǔn)電壓源是必不可少的.低至+2.7Vdc的操作是可能的.
晶體振蕩器驅(qū)動(dòng)電路是片上可編程晶體驅(qū)動(dòng)電流,以適應(yīng)一定范圍的晶體阻抗和頻率.調(diào)節(jié)振蕩器頻率的電壓可變電容器通常被實(shí)現(xiàn)為MOS結(jié)構(gòu),而不是傳統(tǒng)的摻雜結(jié)二極管.由于器件的低壓操作,需要相對(duì)高的調(diào)諧靈敏度,并且可能超過50ppm/V
由于晶體/振蕩器組合的性質(zhì),當(dāng)考慮亞ppm水平時(shí),有必要單獨(dú)測(cè)量和校準(zhǔn)每個(gè)振蕩器.盡管給定批次中的大多數(shù)TCXO相似,但是當(dāng)試圖將曲線匹配到百萬分之一以下時(shí),沒有兩個(gè)是相同的.重要的是在感興趣的溫度范圍內(nèi)主動(dòng)對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行字符化,以便計(jì)算將加載到單元中的初始系數(shù)參數(shù).
執(zhí)行要求運(yùn)行,其中每個(gè)石英振蕩器在感興趣的溫度范圍內(nèi)工作,同時(shí)確定保持輸出在標(biāo)稱頻率上所需的VCXO控制電壓.然后,該數(shù)據(jù)被輸入到曲線擬合算法,該算法計(jì)算給出最佳匹配的多項(xiàng)式系數(shù).這些系數(shù)值被加載到ASIC中,并進(jìn)行另一次溫度測(cè)試,以確定頻率漂移是否在規(guī)定的允許范圍內(nèi).雖然根據(jù)具體情況,第一次運(yùn)行時(shí)可能會(huì)獲得一些產(chǎn)量,但大多數(shù)單位都需要進(jìn)行校正,然后重新驗(yàn)證.這是由于初始測(cè)量的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性.
使用可編程的ASICs,自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)被設(shè)置為在沒有操作員交互的情況下執(zhí)行所有這些功能.
■靜態(tài)頻率與溫度特性
可實(shí)現(xiàn)的頻率對(duì)溫度性能是多項(xiàng)式發(fā)生器產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓曲線與VCXO振蕩器所需電壓匹配程度的函數(shù).許多變量影響這種能力,包括VCXO的調(diào)諧線性度；哭的質(zhì)量,即.它與理想AT曲線的接近程度；其他振蕩器部件的溫度系數(shù)；晶體的拐點(diǎn)溫度；
和電壓基準(zhǔn)的穩(wěn)定性.圖3顯示了可以實(shí)現(xiàn)的頻率與溫度性能.
■溫度斜坡測(cè)試
在變化的溫度條件下發(fā)生的頻率偏移將根據(jù)溫度變化的方向和速率而變化.一個(gè)重要的特征是ASIC的晶體和溫度傳感器之間的緊密熱耦合.這種熱路徑對(duì)于微型封裝來說本來就很短,因?yàn)榫w和ASIC物理上很接近.正因?yàn)槿绱?大多數(shù)小型TCXOs都會(huì)表現(xiàn)良好.圖4
顯示了回轉(zhuǎn)溫度運(yùn)行期間的20MHz振蕩器.紅色曲線顯示右側(cè)y軸上的腔室溫度4,藍(lán)色曲線是左側(cè)y軸上的振蕩器頻率.x軸將時(shí)間繪制為
溫度
標(biāo)準(zhǔn)化為讀數(shù)(每次讀數(shù)需要20毫秒).從+25°C開始,以8°C/分鐘的速度將腔室升至+90°C.穩(wěn)定后,它以相同的速度下降到-60℃.除了溫度超過補(bǔ)償范圍的熱端峰值之外,可以看出斜坡的影響很小,從相反方向的斜坡可以看出很少滯后.■擾動(dòng)和微跳躍
TCXO晶體在歷史上一直受到其溫度性能異常的困擾,這些異常是由于空白設(shè)計(jì)或晶體加工和制造中的缺陷造成的.邊緣空白幾何形狀可導(dǎo)致可能接近期望模式頻率的其他振蕩模式的耦合.這些模式會(huì)干擾不同溫度下的振蕩器頻率,導(dǎo)致晶振電阻或“活動(dòng)下降”增加,并導(dǎo)致頻率偏移.這些擾動(dòng)通常發(fā)生在狹窄的溫度范圍內(nèi).電路可能會(huì)在這些點(diǎn)停止振蕩,或者在通電時(shí)不會(huì)啟動(dòng).■微跳躍
為了獲得最大的信心,當(dāng)溫度從一個(gè)極端上升到另一個(gè)極端并返回時(shí),每個(gè)振蕩器的頻率應(yīng)該被持續(xù)監(jiān)控.這種類型的測(cè)試保證了存在的任何擾動(dòng)或微跳躍都將被捕獲.圖5顯示了20MHzTCXO的篩選結(jié)果,該結(jié)果在8°C/分鐘斜坡曲線期間被監(jiān)控.在整個(gè)時(shí)間內(nèi),輸出頻率每秒連續(xù)記錄50次,讀數(shù)之間沒有停滯時(shí)間.藍(lán)線是連續(xù)讀數(shù)之間的差異圖,它突出顯示了任何瞬時(shí)跳躍.這種AT帶晶體在整個(gè)測(cè)試過程中沒有顯示出任何擾動(dòng)和一些微小的跳躍,這表明TCXO具有卓越的性能.
大多數(shù)TCXO用戶關(guān)心的另一個(gè)參數(shù)是由老化引起的頻率的長期漂移.雖然其他振蕩器部件可能會(huì)導(dǎo)致老化,但在精心設(shè)計(jì)的振蕩器中,老化主要是由晶體引起的.晶體諧振頻率發(fā)生變化
因?yàn)橘|(zhì)量轉(zhuǎn)移到石英坯件或從石英坯件轉(zhuǎn)移.安裝應(yīng)力的松弛也會(huì)起到一定的作用.壓電石英晶體設(shè)計(jì)和加工的進(jìn)步已經(jīng)將老化能力降低到每年1ppm以下,即使對(duì)于小型封裝也是如此.振蕩器10年或20年預(yù)期壽命的長期預(yù)測(cè)可能低于5ppm,因?yàn)槔匣俾蕰?huì)隨著時(shí)間衰減.老化效應(yīng)可以通過使用MIL-SPEC對(duì)數(shù)模型的曲線擬合外推來預(yù)測(cè):
-f/f(t)=A0+a1ln(1+a2t)
其中t是以天為單位的時(shí)間,A0、a1和a2是為擬合樣本數(shù)據(jù)而調(diào)整的數(shù)值系數(shù).
■加速度靈敏度
如果振蕩器的工作環(huán)境包括振動(dòng)和沖擊水平,晶體的加速度或“g”靈敏度(g=9.8m/s)可能是一個(gè)重要參數(shù).振動(dòng)水平將調(diào)制輸出,從而在信號(hào)上產(chǎn)生噪聲邊帶.沖擊脈沖會(huì)在頻率上產(chǎn)生短暫的擾動(dòng),這對(duì)于鎖相環(huán)或類似電路可能會(huì)有問題.微型AT帶狀晶體可以被設(shè)計(jì)成對(duì)這些力提供低靈敏度.最差軸上低于每克5x10(或5x10pm)的水平通常用于關(guān)鍵應(yīng)用.由于條形諧振器及其支座的設(shè)計(jì),加速度的最差軸是可以預(yù)測(cè)的.向量總是指向垂直或z軸,幾乎直接垂直于晶體板.x軸和y軸的靈敏度非常低.這些晶體還能承受高度的煙火沖擊.一些已經(jīng)測(cè)試到100,000克■未來趨勢(shì)
■熱敏電阻/電阻網(wǎng)絡(luò)
補(bǔ)償
熱敏電阻/電阻TxOs是50年來晶體振蕩器溫度補(bǔ)償?shù)闹饕е?一個(gè)或多個(gè)熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的校正電壓抵消了壓控振蕩器的頻率-溫度變化.電壓可變電容變?nèi)荻O管的引入,以及負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的改進(jìn),使得能夠更精確地補(bǔ)償晶體[4].早在1961年,薪酬比率就達(dá)到了100比1以上.這表明在溫度范圍內(nèi)峰峰值偏差為40ppm的晶體可以被混合
補(bǔ)償?shù)?.4ppm的水平.如今,兩個(gè)數(shù)量級(jí)的比率大約是熱敏電阻/電阻補(bǔ)償?shù)臉O限,盡管通過改進(jìn)的自動(dòng)化系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)分析能力,達(dá)到這一水平變得更加容易.但是即使在今天,要達(dá)到高于0.5ppm的穩(wěn)定性,需要多次溫度運(yùn)行和至少三個(gè)熱敏電阻的重復(fù)網(wǎng)絡(luò)調(diào)整.使用電阻微調(diào)或熱敏電阻靈敏度的數(shù)字調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償過程自動(dòng)化的一些嘗試在[5]中取得了一定的成功,但是這些配置不容易集成到小封裝尺寸要求中.
■數(shù)字溫度補(bǔ)償
到了20世紀(jì)70年代末,集成電路技術(shù)的進(jìn)步使得利用模數(shù)轉(zhuǎn)換和固態(tài)存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)[6].雖然以今天的標(biāo)準(zhǔn)來看,這些實(shí)現(xiàn)是粗糙的,但是數(shù)字TCXO晶振的性能超過了0.1ppm,是由包括洛克威爾•柯林斯和格林雷晶振工業(yè)公司在內(nèi)的幾家公司生產(chǎn)的.多年來,開發(fā)了其他數(shù)字實(shí)現(xiàn),其中許多具有嵌入式計(jì)算能力,便于校準(zhǔn)和系統(tǒng)操作.一些采用了精心設(shè)計(jì)的溫度測(cè)量方案,如雙模晶體自適應(yīng)溫度感應(yīng).雖然這些設(shè)計(jì)中的一些實(shí)現(xiàn)了0.05PPM或更高的溫度穩(wěn)定性,但是它們是1PPM
圖1.AT切割晶體基頻的特征溫度曲線族.
是較大且相對(duì)復(fù)雜的組件,通常存在虛假噪聲產(chǎn)生問題.■模擬積分隨著大規(guī)模集成的能力不斷擴(kuò)展,將溫度補(bǔ)償所需的更多功能納入單個(gè)IC成為可能.這導(dǎo)致了目前的ASICs的出現(xiàn),這種ASICs只允許用兩個(gè)組件來構(gòu)造精確的模擬TCXO:ASIC加上石英晶體.
TCXO應(yīng)用中出現(xiàn)的最新設(shè)備是復(fù)雜的大規(guī)模集成電路,結(jié)合了精密模擬功能、非易失性數(shù)字存儲(chǔ)、變?nèi)荻O管和RF振蕩器電路[7].圖2展示了通用設(shè)備的框圖.盡管第一代制造導(dǎo)致了相對(duì)較大的芯片,但幾何尺寸的減少產(chǎn)生了更小的集成電路,使得一個(gè)完整的精密TCXO能夠封裝在一個(gè)小至5032貼片晶振的封裝中.■多項(xiàng)式函數(shù)發(fā)生器
ASIC的核心是多項(xiàng)式函數(shù)發(fā)生器引擎.目標(biāo)是產(chǎn)生一個(gè)溫度變化電壓,該電壓將與在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持振蕩器頻率準(zhǔn)確正常所需的VCXO電壓相匹配.從線性溫度傳感器開始,然后使用一系列模擬乘法,模擬高階多項(xiàng)式的系數(shù).該功能描述為:
-f/f(T)=A0+a1(T-Ti)+a2(T-Ti)+a3(T-Ti)+a4(T-Ti)+a5(T-Ti)
其中A0至a5是要生成的多項(xiàng)式的系數(shù),T是當(dāng)前溫度,Ti是晶體的拐點(diǎn)溫度(晶體曲線相對(duì)于上下轉(zhuǎn)折點(diǎn)居中的溫度,通常在+26°C左右).
校準(zhǔn)變量的調(diào)整范圍,以覆蓋AT切割晶振隨溫度變化的角度.所有溫度都參考晶體拐點(diǎn)溫度.系數(shù)值作為數(shù)字存儲(chǔ)在芯片上的非易失性寄存器中.雖然理想的AT晶體應(yīng)該遵循三階曲線,但電路和晶體中的非線性要求包含高階項(xiàng),以便獲得與所需補(bǔ)償電壓曲線的匹配.晶體拐點(diǎn)溫度在匹配曲線時(shí)很重要,并且是必須可編程的變量之一,以便使用更大范圍的晶體.一些小型帶狀晶體可能具有高達(dá)40°C的彎曲,這可能會(huì)使精確的曲線擬合變得困難.
■集成振蕩器功能
除了函數(shù)發(fā)生器,所有其他振蕩器功能都包含在最新的芯片中.精密低壓降(LDO)穩(wěn)壓器為所有片內(nèi)電路供電.由于必須保持穩(wěn)定的電壓以實(shí)現(xiàn)所需的頻率穩(wěn)定性,精確的基準(zhǔn)電壓源是必不可少的.低至+2.7Vdc的操作是可能的.
晶體振蕩器驅(qū)動(dòng)電路是片上可編程晶體驅(qū)動(dòng)電流,以適應(yīng)一定范圍的晶體阻抗和頻率.調(diào)節(jié)振蕩器頻率的電壓可變電容器通常被實(shí)現(xiàn)為MOS結(jié)構(gòu),而不是傳統(tǒng)的摻雜結(jié)二極管.由于器件的低壓操作,需要相對(duì)高的調(diào)諧靈敏度,并且可能超過50ppm/V
圖2集成TCXO專用集成電路
■校準(zhǔn)和補(bǔ)償程序由于晶體/振蕩器組合的性質(zhì),當(dāng)考慮亞ppm水平時(shí),有必要單獨(dú)測(cè)量和校準(zhǔn)每個(gè)振蕩器.盡管給定批次中的大多數(shù)TCXO相似,但是當(dāng)試圖將曲線匹配到百萬分之一以下時(shí),沒有兩個(gè)是相同的.重要的是在感興趣的溫度范圍內(nèi)主動(dòng)對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行字符化,以便計(jì)算將加載到單元中的初始系數(shù)參數(shù).
執(zhí)行要求運(yùn)行,其中每個(gè)石英振蕩器在感興趣的溫度范圍內(nèi)工作,同時(shí)確定保持輸出在標(biāo)稱頻率上所需的VCXO控制電壓.然后,該數(shù)據(jù)被輸入到曲線擬合算法,該算法計(jì)算給出最佳匹配的多項(xiàng)式系數(shù).這些系數(shù)值被加載到ASIC中,并進(jìn)行另一次溫度測(cè)試,以確定頻率漂移是否在規(guī)定的允許范圍內(nèi).雖然根據(jù)具體情況,第一次運(yùn)行時(shí)可能會(huì)獲得一些產(chǎn)量,但大多數(shù)單位都需要進(jìn)行校正,然后重新驗(yàn)證.這是由于初始測(cè)量的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性.
使用可編程的ASICs,自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)被設(shè)置為在沒有操作員交互的情況下執(zhí)行所有這些功能.
■靜態(tài)頻率與溫度特性
可實(shí)現(xiàn)的頻率對(duì)溫度性能是多項(xiàng)式發(fā)生器產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓曲線與VCXO振蕩器所需電壓匹配程度的函數(shù).許多變量影響這種能力,包括VCXO的調(diào)諧線性度；哭的質(zhì)量,即.它與理想AT曲線的接近程度；其他振蕩器部件的溫度系數(shù)；晶體的拐點(diǎn)溫度；
和電壓基準(zhǔn)的穩(wěn)定性.圖3顯示了可以實(shí)現(xiàn)的頻率與溫度性能.
■溫度斜坡測(cè)試
在變化的溫度條件下發(fā)生的頻率偏移將根據(jù)溫度變化的方向和速率而變化.一個(gè)重要的特征是ASIC的晶體和溫度傳感器之間的緊密熱耦合.這種熱路徑對(duì)于微型封裝來說本來就很短,因?yàn)榫w和ASIC物理上很接近.正因?yàn)槿绱?大多數(shù)小型TCXOs都會(huì)表現(xiàn)良好.圖4
顯示了回轉(zhuǎn)溫度運(yùn)行期間的20MHz振蕩器.紅色曲線顯示右側(cè)y軸上的腔室溫度4,藍(lán)色曲線是左側(cè)y軸上的振蕩器頻率.x軸將時(shí)間繪制為
圖3.頻率與溫度的關(guān)系為20HzTCXO,間隔2°C.
溫度
標(biāo)準(zhǔn)化為讀數(shù)(每次讀數(shù)需要20毫秒).從+25°C開始,以8°C/分鐘的速度將腔室升至+90°C.穩(wěn)定后,它以相同的速度下降到-60℃.除了溫度超過補(bǔ)償范圍的熱端峰值之外,可以看出斜坡的影響很小,從相反方向的斜坡可以看出很少滯后.■擾動(dòng)和微跳躍
TCXO晶體在歷史上一直受到其溫度性能異常的困擾,這些異常是由于空白設(shè)計(jì)或晶體加工和制造中的缺陷造成的.邊緣空白幾何形狀可導(dǎo)致可能接近期望模式頻率的其他振蕩模式的耦合.這些模式會(huì)干擾不同溫度下的振蕩器頻率,導(dǎo)致晶振電阻或“活動(dòng)下降”增加,并導(dǎo)致頻率偏移.這些擾動(dòng)通常發(fā)生在狹窄的溫度范圍內(nèi).電路可能會(huì)在這些點(diǎn)停止振蕩,或者在通電時(shí)不會(huì)啟動(dòng).■微跳躍
圖4.C/分鐘溫度斜坡期間的20HzTCXO頻率.
另一個(gè)可能在溫度上出現(xiàn)的不一致是頻率的跳躍或階躍偏移.這些偏移很小,通常在正常TCXO測(cè)試中不會(huì)觀察到.很多時(shí)候,TCXOs只在溫度范圍內(nèi)的6到8點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試.在這種情況下,許多擾動(dòng)和跳躍都不會(huì)被察覺.在這種類型的不規(guī)則性對(duì)系統(tǒng)性能至關(guān)重要的應(yīng)用中,應(yīng)該在更多的點(diǎn)上測(cè)試振蕩器.以28個(gè)間隔進(jìn)行測(cè)試是一個(gè)很好的折衷方案,可以在不增加測(cè)試時(shí)間的情況下捕捉大多數(shù)擾動(dòng).為了獲得最大的信心,當(dāng)溫度從一個(gè)極端上升到另一個(gè)極端并返回時(shí),每個(gè)振蕩器的頻率應(yīng)該被持續(xù)監(jiān)控.這種類型的測(cè)試保證了存在的任何擾動(dòng)或微跳躍都將被捕獲.圖5顯示了20MHzTCXO的篩選結(jié)果,該結(jié)果在8°C/分鐘斜坡曲線期間被監(jiān)控.在整個(gè)時(shí)間內(nèi),輸出頻率每秒連續(xù)記錄50次,讀數(shù)之間沒有停滯時(shí)間.藍(lán)線是連續(xù)讀數(shù)之間的差異圖,它突出顯示了任何瞬時(shí)跳躍.這種AT帶晶體在整個(gè)測(cè)試過程中沒有顯示出任何擾動(dòng)和一些微小的跳躍,這表明TCXO具有卓越的性能.
圖5.連續(xù)頻率采樣之間的第一個(gè)差異.
圖6放大了3059號(hào)讀數(shù)周圍的區(qū)域.y軸是赫茲的頻率,表示大約10ppb的步長.這些小步驟是相當(dāng)可重復(fù)的,盡管當(dāng)溫度向相反方向旋轉(zhuǎn)時(shí),它們可能不會(huì)出現(xiàn).■老化大多數(shù)TCXO用戶關(guān)心的另一個(gè)參數(shù)是由老化引起的頻率的長期漂移.雖然其他振蕩器部件可能會(huì)導(dǎo)致老化,但在精心設(shè)計(jì)的振蕩器中,老化主要是由晶體引起的.晶體諧振頻率發(fā)生變化
因?yàn)橘|(zhì)量轉(zhuǎn)移到石英坯件或從石英坯件轉(zhuǎn)移.安裝應(yīng)力的松弛也會(huì)起到一定的作用.壓電石英晶體設(shè)計(jì)和加工的進(jìn)步已經(jīng)將老化能力降低到每年1ppm以下,即使對(duì)于小型封裝也是如此.振蕩器10年或20年預(yù)期壽命的長期預(yù)測(cè)可能低于5ppm,因?yàn)槔匣俾蕰?huì)隨著時(shí)間衰減.老化效應(yīng)可以通過使用MIL-SPEC對(duì)數(shù)模型的曲線擬合外推來預(yù)測(cè):
-f/f(t)=A0+a1ln(1+a2t)
其中t是以天為單位的時(shí)間,A0、a1和a2是為擬合樣本數(shù)據(jù)而調(diào)整的數(shù)值系數(shù).
■加速度靈敏度
如果振蕩器的工作環(huán)境包括振動(dòng)和沖擊水平,晶體的加速度或“g”靈敏度(g=9.8m/s)可能是一個(gè)重要參數(shù).振動(dòng)水平將調(diào)制輸出,從而在信號(hào)上產(chǎn)生噪聲邊帶.沖擊脈沖會(huì)在頻率上產(chǎn)生短暫的擾動(dòng),這對(duì)于鎖相環(huán)或類似電路可能會(huì)有問題.微型AT帶狀晶體可以被設(shè)計(jì)成對(duì)這些力提供低靈敏度.最差軸上低于每克5x10(或5x10pm)的水平通常用于關(guān)鍵應(yīng)用.由于條形諧振器及其支座的設(shè)計(jì),加速度的最差軸是可以預(yù)測(cè)的.向量總是指向垂直或z軸,幾乎直接垂直于晶體板.x軸和y軸的靈敏度非常低.這些晶體還能承受高度的煙火沖擊.一些已經(jīng)測(cè)試到100,000克■未來趨勢(shì)
圖6.10ppb微跳轉(zhuǎn)的擴(kuò)展視圖.
由于基本的TCXO架構(gòu)已經(jīng)集成到單個(gè)IC中,這適用于許多應(yīng)用,進(jìn)一步減小精密振蕩器的尺寸將需要更小的諧振器.盡管體模石英晶體諧振器可以做得很小,但物理限制使得可用器件無法制作到一定尺寸以下.表面貼裝封裝具有3.2mm×5mm或更小的占地面積(圖7),具有合理的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和穩(wěn)定性.但是,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這個(gè)水平的減少可能需要諧振器技術(shù)的進(jìn)步.硅微加工諧振器可以在與振蕩器電路[9]相同的管芯上制造.盡管這些振蕩器還沒有達(dá)到精確TCXO的穩(wěn)定性,但是進(jìn)一步的改進(jìn)是針對(duì)這個(gè)目標(biāo)的.這些設(shè)備可能很快開始取代低端,大容量應(yīng)用中適用于無線,有線電話,航空航天,軍事,衛(wèi)星和其他通信市場(chǎng)的精密石英振蕩器.
正在載入評(píng)論數(shù)據(jù)...
相關(guān)資訊
- [2023-07-12]第二篇：6G光模塊應(yīng)用晶振X1G00...
- [2023-06-28]6G無線晶振KX-327RT是可穿戴設(shè)備...
- [2019-08-29]具備軍用溫度范圍的高利奇32.76...
- [2019-08-20]大河晶振四大產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)
- [2019-08-08]高度穩(wěn)定的32.768K溫補(bǔ)晶振
- [2019-07-29]DSB211SDN溫補(bǔ)晶振寬溫度范圍內(nèi)...
- [2019-07-26]SiTime推出用于航空航天和國防市...
- [2019-07-16]目前是世界上最小的溫補(bǔ)晶振
