石英晶體振蕩器按照不同的性能進(jìn)行細(xì)分類(lèi),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(lèi)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?chē)鷾囟茸兓鸬恼袷幤鬏敵鲱l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(cè)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(guò)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(zhǎng)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(lèi)型無(wú)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(guò)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?chē)臏囟葧?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(kāi)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(kāi)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,

恒溫穩(wěn)定性

  恒溫的穩(wěn)定性取決于OCXO以外的溫度范圍和恒溫的熱增益.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,恒溫槽內(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(guò)標(biāo)準(zhǔn)比例控制的恒溫可以達(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)恒溫容納在第二恒溫槽內(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(zhǎng)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(cè)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(lái)完成熱平衡.通過(guò)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(lái)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(kāi)啟特性幾乎沒(méi)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(chēng)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(cè)量連續(xù)頻率測(cè)量中的RMS變化,以獲得短的門(mén)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(zhǎng)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.