石英晶體振蕩器按照不同的性能進(jìn)行細(xì)分類,普通有源晶振,電壓控制晶體振蕩器,溫度補(bǔ)償晶體振蕩器,恒溫控制晶體振蕩器,差分信號(hào)晶體振蕩器等不同的性能類別石英晶體振蕩器.龍湖電子該篇文章要講的是關(guān)于利用恒溫槽使晶體振蕩器或石英晶體振子的溫度保持恒定,將由周圍溫度變化引起的振蕩器輸出頻率變化量削減到小的恒溫晶體振蕩器，

恒溫控制的晶體振蕩器

在OCXO中,晶體和其他溫度敏感電路被置于溫度控制結(jié)構(gòu)中.我們的想法是將晶體保持在高于OCXO暴露的最高環(huán)境溫度的穩(wěn)定溫度.為獲得最佳效果,將恒溫槽設(shè)置為諧振器周轉(zhuǎn)溫度.可以使用AT切割或SC切割晶體諧振器.SC切割石英晶振提供最佳的整體性能,而AT切割提供更低的成本.

控制溫度的主要原因是消除溫度引起的異常的影響.所有石英晶體諧振器都與那些僅允許補(bǔ)償(或可預(yù)測性)在±0.1ppm之內(nèi)的熱異常相關(guān)聯(lián).另一個(gè)原因是允許使用不太可拉動(dòng)但非常穩(wěn)定的較高泛音晶體通過控制溫度設(shè)定在特定頻率.較高泛音晶體的使用還導(dǎo)致由于諧振器的Q值較高而導(dǎo)致短期穩(wěn)定性提高,并且由于諧振器的石英質(zhì)量增加而改善了長期性能.

OCXO恒溫晶體振蕩器的最大優(yōu)點(diǎn)是其穩(wěn)定性,這是其他晶體振蕩器類型無法比擬的.OCXO的頻率與溫度穩(wěn)定性取決于諧振器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)F與T特性,OCXO的設(shè)計(jì)溫度范圍,恒溫和支持電路中元件的穩(wěn)定性,以及其精度將恒溫設(shè)定為諧振器的周轉(zhuǎn)溫度.典型的分?jǐn)?shù)穩(wěn)定性范圍可以從±20ppb(±20E-9)到±100ppb.這種穩(wěn)定性可在-40℃至+85℃的溫度范圍內(nèi)有效.可在較窄的溫度范圍內(nèi)獲得穩(wěn)定性.

OCXO晶振的主要缺點(diǎn)是功耗,單元尺寸,預(yù)熱時(shí)間和成本.所需的恒溫槽功率主要取決于所用絕緣材料的質(zhì)量和恒溫槽與外部環(huán)境之間的溫差.增加絕緣量以減少熱量損失需要增加尺寸,從而在功率和尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡.預(yù)熱時(shí)間是烤箱達(dá)到工作溫度和穩(wěn)定頻率所需的時(shí)間.它在很大程度上取決于可用功率,烤箱的熱質(zhì)量,絕緣質(zhì)量和環(huán)境溫度.典型的預(yù)熱時(shí)間為15秒至5分鐘.

設(shè)置恒溫溫度

恒溫工作溫度(晶體轉(zhuǎn)換溫度)必須比振蕩器工作的最高環(huán)境溫度高幾度,以便恒溫可以保持良好的控制(考慮到振蕩器本身產(chǎn)生的內(nèi)部熱量上升).

然而,存在與高爐溫操作相關(guān)的缺點(diǎn).首先,晶體的頻率與溫度特性更加清晰,更高的周轉(zhuǎn)晶體導(dǎo)致對(duì)爐溫的微小變化更敏感.其次,更重要的是,隨著溫度的升高,晶體老化會(huì)降低.因此,在設(shè)計(jì)恒溫控制晶體振蕩器時(shí),人們?cè)诖_定所需的爐子工作溫度方面面臨著妥協(xié);它應(yīng)盡可能低,但必須足夠高,以便在最高環(huán)境工作溫度下提供良好的控制.

水晶諧振器的預(yù)熱

當(dāng)例如熱量通過安裝夾子流入或流出諧振器板的有源區(qū)域時(shí),改變晶體單元周圍的溫度會(huì)產(chǎn)生熱梯度.靜態(tài)F對(duì)T特性由熱梯度引起的應(yīng)力引起的熱瞬態(tài)效應(yīng)修改.當(dāng)恒溫晶體振蕩器打開時(shí),可能會(huì)產(chǎn)生明顯的熱瞬態(tài)效應(yīng).

對(duì)于使用AT切割諧振器的OCXO,晶體諧振器頻率隨著烤箱升溫而迅速降低.這僅僅是因?yàn)锳T切割晶體的頻率在室溫下比在其上部周轉(zhuǎn)溫度下高得多.在標(biāo)準(zhǔn)的OCXO中,烤箱平衡10到15分鐘,但AT切割晶體的熱梯度產(chǎn)生大的頻率下沖(橡皮筋效應(yīng)),在烤箱達(dá)到平衡幾分鐘后退火到其最終頻率.通常,在開啟后30分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)相對(duì)高的穩(wěn)定性,并且在特殊的快速預(yù)熱設(shè)計(jì)中,這個(gè)時(shí)間可以減少到不到5分鐘.另一方面,SC切割晶體被”應(yīng)力補(bǔ)償”,從而對(duì)這種熱瞬態(tài)引起的應(yīng)力不敏感,

烤箱穩(wěn)定性

烤箱的穩(wěn)定性取決于OCXO以外的溫度范圍和烤箱的熱增益.熱增益定義為外部到內(nèi)部溫度偏移比.例如,如果在-40oC至+60oC的外部溫度偏移期間,烤箱內(nèi)的溫度變化0.1oC,則熱增益為103.此外,熱瞬態(tài)效應(yīng)使得使用AT切割諧振器實(shí)現(xiàn)小型烤箱偏移比使用SC切割設(shè)計(jì)更困難和耗時(shí).

當(dāng)所需的溫度穩(wěn)定性超過標(biāo)準(zhǔn)比例控制的烤箱可以達(dá)到的溫度穩(wěn)定性時(shí),可以使用雙爐系統(tǒng),其中標(biāo)準(zhǔn)烤箱容納在第二烤箱內(nèi).然后外部烘箱將環(huán)境溫度變化緩沖到內(nèi)部烘箱,其包含振蕩器電路.

穩(wěn)定時(shí)間和穩(wěn)態(tài)

這定義為長時(shí)間關(guān)閉后達(dá)到一定穩(wěn)定水平所需的時(shí)間.烤箱功率達(dá)到規(guī)定的最大值,然后在烤箱達(dá)到其工作溫度時(shí)切斷回到穩(wěn)定狀態(tài).OCXO的功耗在預(yù)熱時(shí)通常為5W左右,在穩(wěn)定狀態(tài)下為1.5W,具體取決于尺寸.

追溯

Retrace是電源施加后的頻率誤差,與之前的值和電源去除前的老化率相比較.在測量回掃時(shí),OCXO晶振斷電的正常時(shí)間為24小時(shí),正常通電時(shí)段有足夠的時(shí)間來完成熱平衡.通過適當(dāng)設(shè)計(jì)振蕩器,烘箱機(jī)構(gòu)和晶體諧振器可以獲得良好的回掃.這是±20到±50ppb的量級(jí).從晶體到晶體的這些特性存在顯著差異.除了上述與晶體相關(guān)的影響之外,來自加熱和冷卻爐結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力也可以有助于回掃和老化速率的變化.在大多數(shù)應(yīng)用中,OCXO持續(xù)通電.在這種情況下,老化是關(guān)鍵特性,關(guān)斷/開啟特性幾乎沒有意義.但是,當(dāng)應(yīng)用程序需要頻繁關(guān)閉時(shí),應(yīng)考慮其他一系列特性(如Retrace).

雙旋轉(zhuǎn)(SC切割)晶體

雖然大多數(shù)高穩(wěn)定性晶體振蕩器使用AT切割晶體,但SC切割晶體通常用于最高穩(wěn)定性的OCXO模型.SC切割晶體是雙旋轉(zhuǎn)晶體族之一(相對(duì)于三個(gè)晶軸中的兩個(gè)以一定角度切割的石英晶體).家族中的其他人包括IT切割和FC切割.SC切割代表了最佳的雙旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì),因?yàn)槠涮囟ǖ慕嵌忍峁┝俗畲蟮膽?yīng)力補(bǔ)償.以下是雙旋轉(zhuǎn)和AT切割晶體之間的比較.

SC切割晶體的優(yōu)點(diǎn):

改善老化-對(duì)于給定頻率和泛音(例如10MHz,3rd泛音),SC切割晶體相對(duì)于AT切割提供2至3倍的老化改善.

熱瞬態(tài)補(bǔ)償-允許在OCXO中更快地預(yù)熱

相位噪聲-對(duì)于特定誒SMD晶振體頻率和諧波的特定振蕩器設(shè)計(jì),SC切割晶體提供更高的Q值和相關(guān)的改善的相位噪聲特性.

平面應(yīng)力補(bǔ)償-由于邊緣力和彎曲引起的頻率變化較小

靜態(tài)和動(dòng)態(tài)F與T-允許更高的穩(wěn)定性O(shè)CXO和MCXO

更好的F與T重復(fù)性-允許更高的穩(wěn)定性O(shè)CXO和MCXO

活動(dòng)減少的次數(shù)要少得多

降低驅(qū)動(dòng)水平靈敏度

對(duì)輻射的敏感度較低

SC切割晶體的缺點(diǎn):

成本-由于在制造SC晶體時(shí)圍繞兩個(gè)軸的嚴(yán)格控制的角度旋轉(zhuǎn)與AT的一個(gè)軸相關(guān)的困難,SC晶體的成本明顯高于相同頻率和泛音的AT.

可滑動(dòng)性-SC晶體的運(yùn)動(dòng)電容比相同頻率和泛音的AT的運(yùn)動(dòng)電容小幾倍,從而降低了”拉”晶體頻率的能力.這限制了SC晶體在傳統(tǒng)的TCXO晶振和VCXO中的使用,甚至在需要能夠在任何顯著程度上偏離振蕩頻率的爐控振蕩器中.

艾倫方差

AllanVariance,也稱為短期穩(wěn)定性,是時(shí)域中振蕩器穩(wěn)定性的衡量標(biāo)準(zhǔn).它測量連續(xù)頻率測量中的RMS變化,以獲得短的門控時(shí)間(毫秒到秒),并且在時(shí)序應(yīng)用中非常重要.它通常隨著柵極時(shí)間的增加而改善,直到它成為振蕩器的中長期漂移的量度.該漂移或者是振蕩器的溫度系數(shù)和/或老化的結(jié)果.10MHzOCXO的典型數(shù)字如下表所示.

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