康比電子該篇文章報道了基于模擬振蕩電路結合使用熱敏電阻和相關分立電器的傳統溫度傳感電路,開發了尺寸為9.7mmx7.5mm的高穩定性小型化烤箱控制晶體振蕩器(OCXO)組件.實施有限元法(FEM)以優化爐結構的爐子穩定性.因此,在-40至85°C的環境溫度范圍內,低于±1°C的高度穩定的烤箱性能進行了數值分析和實驗證明.因此,該結果意味著使用AT切割晶體,小型化OCXO的頻率穩定性可以達到小于±20ppb.
眾所周知,臺灣晶技TXC晶振集團在業界是比較高名氣的頻率元件制造商,自成立以來已經向市場及各個行業領域提供了各種高的質量,高的品質產品,有耐高溫的車載晶振,工業級晶振等各種頻點.不斷為市場需求而研制出新的TXC晶振產品.
多年來因為尺寸封裝上難以突破,OCXO晶振的發展一直處于瓶頸當中,盡量OCXO的穩定性,可輸出LVDS,LV-PECL等差分信號,但始終沒有被生產廠家們廣泛的使用.因此不少國內和國外的晶體制造商,都在加緊研發小型化恒溫晶體振蕩器,其中烤箱式的OCXO晶振是比較受關注的,TXC晶振公司是臺灣知名的頻率元件制造商,小型OCXO晶振設計開發目前是TXC晶振公司的重要項目.TXC公司現在成功研發的兩款小體積烤箱式恒溫晶振分別是OE晶振和OG晶振.
圖1.9.7mmx7.5mm小型化OCXO的照片
在過去幾年中,小型蜂窩解決方案通過部署為獨立網絡或與傳統宏蜂窩集成,展示了其實現更高無線電密度和容量的能力.此外,通過使用包括室內和室外應用的小型蜂窩技術,將大大擴展下一代4G-LTE電信的覆蓋范圍.然而,對于小型電池應用,由于使用具有成本有效解決方案的單個小型貼片晶振封裝的特殊要求,物理尺寸是影響小型電池設計選擇頻率控制部件的關鍵因素.因此,開發小型化的OvenControlledCrystalReprintedOscillator(OCXO)以滿足嚴格的系統要求,已經引起了很多關注.2012年,TXC晶振公司使用AT切割晶體作為溫度傳感器,開發了數字信號處理-橢圓OCXO振蕩器(DSP-OCXO)的開發,顯示頻率可以達到±20.
圖2.小型化OCXO的功能框圖,熱敏電阻用作溫度傳感器
ppb在-40到85°C的環境溫度范圍內.然而,這種數字烤箱控制電路仍然受到溫度穩定性的小波動的影響[2].為了解決這個問題,我們提出了一種尺寸為9.7mmx7.5mm的高穩定性小型化OCXO,它基于模擬振蕩電路與傳統的使用熱敏電阻的溫度傳感電路相結合,如圖中OCXO晶振的真實外觀所示.1.小型化OCXO有源晶振的功能框圖如圖2所示.使用熱敏電阻作為溫度傳感器的傳統溫度傳感電路用于溫度控制電路.為了優化烤箱結構,采用了有限元法(FEM)的熱分析模擬因此,從-40℃到85℃的低于±1℃變化的高度穩定的烘箱性能在數值上和實驗上都得到證實.
傳熱模型:
OCXO恒溫晶振能夠在很寬的工作溫度范圍內實現極高的頻率穩定性.這可以通過將晶體放置在具有恒溫控制的加熱器元件的隔熱爐結構中來實現.為了在運行過程中對OCXO的烤箱結構進行建模,進行了時間依賴過程的樹維模擬.在模擬中,OCXO中傳熱模擬的控制機制只考慮了傳導效應.因此,一般熱傳導方程可以從熱力學第一定律推導出來,如下所示:
圖3.恒溫控制加熱器的熱源定義為時間的函數,包括預熱和穩定步驟
其中[kg/]表示密度,[J/(kgK)]表示熱量恒定壓力下的容量.傅里葉傳導定律給出:
其中k[W/(mK)]是導熱系數.應該注意的是,通過在空氣的數值域中將速度設定為零來忽略對流效應.恒溫控制加熱器的熱源被定義為時間的函數,如圖3所示.熱源溫度為25°C,加熱過程包括加熱速率為2.5°C/s的預熱步驟和保持溫度為97.5°C的穩定步驟.采用對流熱通量邊界條件來表示不銹鋼cver的外墻,向環境空氣呼出:
其中n表示壁的法線,是傳熱系數,表示環境空氣的溫度.在本文中,工作溫度范圍為-40至85°C.PCB中的coppr跡線(大約幾微米)的厚度遠遠高于其他組件.
圖4.使用雙加熱器結構的OCXO的示意圖
(大約幾毫米)的設備.結果,由于需要更精細的網格,這種多尺度問題可能導致更長的計算時間.為此,通過將銅跡線設置為邊界,在數值模型中實現高導電層.應該提到的是,該假設仍滿足(1)中的傳熱配方.數值模擬中使用的材料和物理特性如表1所示,包括環境空氣,印刷電路板(PCB),晶振和加熱器封裝的陶瓷,PCB中嵌入的走線的銅,以及不銹鋼.封面.
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