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穩(wěn)定性高和低功率需求的TCXO晶振

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瀏覽：- 發(fā)布日期：2018-12-17 13:43:55【大中小】

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多年來(lái),制造商一直尋求提供一種緊湊封裝的石英晶體振蕩器,提供緊密的穩(wěn)定性.烤箱控制晶體振蕩器(OCXO)提供了極好的穩(wěn)定性,但是對(duì)于便攜式應(yīng)用,特別是對(duì)于要求苛刻的軍事應(yīng)用,OCXO封裝可能太大,并且可能需要電池提供過(guò)多的電能.

Greenray新推出的T75系列TCXOs(溫度補(bǔ)償晶體振蕩器)滿(mǎn)足了對(duì)緊密穩(wěn)定性,緊湊封裝和低功耗的需求.

任何振蕩器的核心都是水晶,石英晶振.新T75系列TCXOs采用姐妹公司Statek公司的AT條晶體,與普通圓形毛坯晶體相比,這種晶體具有明顯的優(yōu)勢(shì).

AT帶晶體非常堅(jiān)固,能夠承受非常高的沖擊和振動(dòng)水平.這種晶體的特殊版本經(jīng)受住了高達(dá)100,000克的沖擊,非常適合在智能彈藥等惡劣環(huán)境中使用.該晶振的典型g靈敏度在最差軸(Z軸)為2.5X10-9/g,在X軸和Y軸小于2X10-10/g.

G-靈敏度可以進(jìn)一步提高到Z軸上大約3×10-10/g,從而將沖擊和振動(dòng)對(duì)穩(wěn)定性和相位噪聲的影響降至最低.這對(duì)于依靠在沖擊,加速度和振動(dòng)下的一致性能的便攜式和機(jī)載應(yīng)用非常重要.使用較低g敏感性晶體的缺點(diǎn)是老化性能略有下降.

使TCXO晶振更接近OCXO穩(wěn)定性的限制因素之一是晶體擾動(dòng).擾動(dòng)是在特定溫度下發(fā)生的孤立事件,通常僅超過(guò)幾度,導(dǎo)致晶體的頻率跳躍高達(dá)百萬(wàn)分之幾(ppm).

所有晶體本身都有擾動(dòng)——重要的是它們有多少和有多大.在制造過(guò)程中,溫度上的擾動(dòng)是非常可重復(fù)的.關(guān)于晶體擾動(dòng)的起源,有許多理論,包括空白應(yīng)力,清潔度和微粒物質(zhì)留下

水晶.

Greenray晶振與Statek合作,將AT帶擾動(dòng)顯著降低到通常小于1×10-7,以補(bǔ)償2×10-7的溫度穩(wěn)定性.重要的是每?jī)啥葴y(cè)試溫度范圍內(nèi)的緊密穩(wěn)定性TCXOs,以確保擾動(dòng)不超過(guò)規(guī)范.

AT條晶體的設(shè)計(jì)也是為了提高老化性能.TCXOs的長(zhǎng)期老化非常好,通常遠(yuǎn)低于1pm/年,預(yù)計(jì)10年內(nèi)將達(dá)到3pm或更低.圖1顯示了一個(gè)40HzTCXO長(zhǎng)期老化的例子.

圖1

為了提高TCXO性能,Greenray使用模擬溫度補(bǔ)償.這比利用數(shù)字補(bǔ)償對(duì)短期穩(wěn)定性和相位噪聲的影響更小,數(shù)字補(bǔ)償雖然可以產(chǎn)生非常穩(wěn)定的單元,但也可以引起頻率跳變,在系統(tǒng)級(jí)別造成嚴(yán)重破壞,引起鎖定問(wèn)題和噪聲問(wèn)題.

Greenray專(zhuān)有的模擬補(bǔ)償采用五階多項(xiàng)式曲線擬合.解釋這一點(diǎn)的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是,補(bǔ)償?shù)燃?jí)越高,溫度曲線上可以補(bǔ)償?shù)狞c(diǎn)就越多.這一點(diǎn)很重要,因?yàn)榫w在溫度范圍內(nèi)沒(méi)有遵循完美的曲線擬合.換句話說(shuō),五階補(bǔ)償將產(chǎn)生比三階補(bǔ)償更穩(wěn)定的振蕩器,因?yàn)樗梢越忉?/span>貼片晶振更多的不穩(wěn)定性.

這使得T75能夠在-20°C至+70°C范圍內(nèi)提供0.2pM的穩(wěn)定性,在-40°C至+85°C范圍內(nèi)提供0.3pM的穩(wěn)定性,在-55°C至+90°C范圍內(nèi)提供1pM的穩(wěn)定性.這些穩(wěn)定性比使用熱敏電阻補(bǔ)償或三階補(bǔ)償獲得的典型TCXO性能要嚴(yán)格得多.在最緊張的情況下,收益率沒(méi)有那么高穩(wěn)定性選項(xiàng),因此選擇更典型的穩(wěn)定性有成本優(yōu)勢(shì),例如0.5ppm或1.0ppm.圖2是補(bǔ)償振蕩器的頻率與溫度的關(guān)系示例.

穩(wěn)定性高和低功率需求的TCXO晶振

圖2

模擬補(bǔ)償也提供了極好的短期穩(wěn)定性.TCXO的典型性能<3x10-10,采樣周期為0.1和1.0秒.這種性能在溫度范圍內(nèi)保持一致,在相同的采樣率下,出現(xiàn)了幾起高達(dá)2x10-9的孤立事件.溫度可高達(dá)2°C/分鐘,性能不會(huì)顯著下降.

T75系列TCXOs提供三態(tài)選項(xiàng)或電壓參考選項(xiàng).Tristate功能打開(kāi)和關(guān)閉輸出,但允許振蕩器繼續(xù)運(yùn)行,最大限度地減少TCXO的穩(wěn)定時(shí)間.這一功能對(duì)于測(cè)試功能非常有用,當(dāng)多個(gè)單元同時(shí)運(yùn)行時(shí),能夠輕松測(cè)試一個(gè)部件,這在電信和通信系統(tǒng)中是典型的情況.三態(tài)通過(guò)“HI”或浮動(dòng)輸入啟用,通過(guò)“LOW”0V輸入禁用.

電壓基準(zhǔn)是內(nèi)部調(diào)節(jié)的電壓輸出,可用于偏置溫補(bǔ)晶振的電氣頻率控制(EFC)端口,并將該單元設(shè)置在標(biāo)稱(chēng)頻率上.+3.3V單元的電壓輸出為+2.4VDC(典型值),而+5.0V單元的電壓輸出為+4.3VDC(典型值).

TCXO晶振可以通過(guò)指定的EFC電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),或者通過(guò)使用電壓基準(zhǔn)(VREF)(參考)偏置EFC來(lái)調(diào)節(jié).圖3),或者中心頻率可以由Greenray內(nèi)部設(shè)置,不可由客戶(hù)調(diào)整.EFC輸入對(duì)于喜歡隨著時(shí)間的推移重新校準(zhǔn)TCXO選項(xiàng)的客戶(hù)是有利的.一些人通過(guò)軟件和D/A轉(zhuǎn)換器使用電調(diào)節(jié)來(lái)偏置輸入,而另一些人僅僅使用一個(gè)簡(jiǎn)單的電位器分壓器來(lái)調(diào)節(jié)單元的外部電壓.

如果裝置的電源電壓非常穩(wěn)定,分壓器(參考.可以使用圖4).然而,建議使用這種方法小心,因?yàn)殡娫措妷褐械娜魏尾环€(wěn)定性都可能直接輸入EFC端口,導(dǎo)致穩(wěn)定性隨溫度的變化.這些單元通常利用EFC功能調(diào)整5pP,因此相對(duì)較小的電壓變化會(huì)顯著地移動(dòng)頻率.

圖3圖4

Greenray高性能TCXOs集成了一個(gè)低噪聲ASIC振蕩器,可向10歐姆/10pF負(fù)載輸出+3.3伏+5.0伏CMOS方波或0.8伏-P限幅正弦波.該振蕩器的削波正弦波型在25mHz時(shí)輸出的輸入功率非常低,小于2mA.CMOS版本也非常低,在25兆赫茲時(shí)低于4mA.這兩部分都解決了對(duì)極低輸入功率的需求,以延長(zhǎng)電池壽命.

TCXO晶振設(shè)計(jì)用于10Hz至50Hz頻率范圍,典型的相位噪聲圖如圖5所示.石英晶體振蕩器還具有可變晶體驅(qū)動(dòng)的獨(dú)特特性,以?xún)?yōu)化溫度補(bǔ)償和相位噪聲.

穩(wěn)定性高和低功率需求的TCXO晶振

圖5

7*5mm,T75系列實(shí)現(xiàn)了定制的表面安裝陶瓷封裝(見(jiàn)圖6),該封裝密封地保護(hù)了設(shè)備的有源集成電路,并允許該部件在非常惡劣的環(huán)境中使用,包括高濕度或濕度以及極端的溫度變化.通過(guò)使用密封晶體,可以確保可重復(fù)的低老化性能.