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正确的选择晶体振荡器类型其实可以很简单

来源:http://businessandbook.com 作者:康华尔电子 2019年09月20
       购买过晶体或振荡器的采购都知道,现今的频率元件市场让人眼花缭乱,五花八门的不知如何选择,同样一款晶振可以有很多种规格,品牌可以挑选,但却不知道哪种是最合适的.尤其是石英晶体振荡器系列的,因为振荡器常见的类型至少有4种,分别是SPXO,TCXO,VCXO,OCXO这几种.高精度,低电压,低功率,小体积基本上算是标准要求了,但符合这些性能的晶体振荡器何止千千万万.康华尔电子整理了这4种振荡器完整的功能特性,和电路资料,通过对比和分析,相信会更容易选择.
KHEFM.jpg
烤箱控制晶体振荡器(OCXO):
       典型温度稳定性:±1x10-7至±1x10-9
       典型老化率:±2x10-7/年至±2x10-8/年
       典型功耗:稳态条件下的1.5瓦至2.0瓦(环境温度+25°C)
       一个OCXO是一个晶体振荡器,其是由温度迷你内部恒温.这种类型的振荡器具有温度控制电路,以保持晶体和其他关键部件的一致温度.OCXO通常在需要±1x10-8或更高的温度稳定性时使用.虽然这种类型的振荡器比TCXO在温度稳定性方面有十倍的改进,但OCXO晶振的价格往往更高并且消耗更多功率.
OCXO电路的温度特性:
       OCXO的关键是在外部环境温度变化时将晶体和一些其他振荡器元件保持在一个特定温度.这可能与冬天的房屋有关,其中位于房屋内的恒温器检测到温度变化并控制炉子以保持所需的温度.
        什么是所需的操作温度?操作温度是晶体的转折点之一(参见晶体部分).在转折点,频率与温度曲线的斜率为零.这意味着即使温度略微上升或下降,频率变化也是最小的.请注意,对于OCXO,晶体的转折点温度必须高于温度范围的上限.这是因为如果外部温度为+35°C,您无法使用炉子将房屋的温度控制在+25°C.一般的经验法则是,您需要晶体的转折点比OCXO振荡器电路的工作温度高10°C.
       对于OCXO,热敏电阻(我们将在TCXO部分中更多地讨论这个问题)相当于家中的恒温器.它用于检测晶体和石英振荡器电路的温度.热源可以是功率晶体管或功率电阻器.所需的最后一个部件是比较器电路,用于控制热源中产生的功率量.
比较器电路:
       比较器电路由运算放大器和配置为高增益放大器的其他组件(电阻器和电容器)组成.操作温度称为“设定点”,并通过在正常生产过程中选择的选定值电阻器进行调节.在正常操作期间,热敏电阻通过改变到略微不同的电阻值来感测环境温度变化.比较器电路然后调节产生的功率以使热敏电阻返回到原始电阻值并且晶体和电路温度恢复到原始设定点温度.
       坚持与房子比较...OCXO使用绝缘材料与房子类似.绝缘用于减轻环境温度变化的影响并减少维持设定点温度所需的功率.使用的绝缘越好,保持在设定温度点所需的功率越小.今天越来越多的RF应用需要更低的功率输入,因此绝缘起着关键作用.典型OCXO的温度控制器电路将设定点温度保持在±1°C或更低.
双炉OCXO:
       甲双炉型振荡器(DOCXO)可能需要更紧如果稳定性是必需的(±1×10-105×10-11至±).通过将OCXO放入另一个烤箱包装中来制作DOCXO.该外部烤箱将缓冲OCXO的环境变化,两个温度控制器的组合可将设定点温度保持在±0.10°C以内.
使用DOCXO的一些最大挫折包括:
       1.它们需要更大的包装尺寸
       2.他们消耗更多的力量
       3.通常更贵
       在+25°C环境温度下双炉振荡器的典型功率输入在稳态条件下为3.0瓦至4.0瓦.由于OCXO的老化速率为0.20ppm/年至2.0x10-8/年,因此需要将频率调整为+25°C以抵消老化效应.大多数OCXO都具有类似于TCXO振荡器的机械频率调整.典型的调节范围为+2ppm至±0.20ppm.
OCXO中的石英晶体切割类型:
       晶体切割的类型也会增加振荡器的稳定性.某些类型的切口在其转折点处具有不同的频率与温度的斜率.两种最常见的切割类型是AT和SC切割.例如,对于+80°C的转折点,SC切割晶体的斜率可能为5x10-9/°C,而AT型晶体的斜率可能为1x10-8/°C80°C转折点.使用相同的温度控制器,AT型晶体的频率将是SC型晶体的两倍.温度稳定性和工作温度范围要求决定了所用晶体切割的类型.
温度控制晶体振荡器(TCXO):
       典型的温度稳定性:±0.20ppm至±2.0ppm
       典型老化率:±0.50ppm/年至±2ppm/年
       温度控制晶体振荡器(TCXO)的作用类似于OCXO,因为它们管理有源晶振电路的温度.但是,他们也有很多不同之处.TCXO的基本构建模块是VCXO,偏差范围约为±50ppm,温度敏感网络.该温度敏感网络(温度补偿电路)向变容二极管施加电压,该电压在工作温度范围内的任何温度下校正VCXO的频率.从TCXO获得的典型温度稳定性为±0.20ppm至±2.0ppm.由此可以看出,TCXO在时钟振荡器上的温度稳定性提高了十倍.
TCXO电路:
       要创建温度补偿电路,您需要一些东西来感知环境温度.热敏电阻是大多数中的典型传感器件.热敏电阻是电阻器件,其电阻取决于环境温度.
有两种类型的热敏电阻:
       1.系数为正的系数:随着温度的升高,它们的阻力会上升
       2.具有负系数的那些:它们的电阻随着温度的升高而下降
       典型的温度补偿电路将热敏电阻和电阻器组合成分压器网络,以在任何温度下产生所需的校正电压.然后将该校正电压施加到变容二极管.如果温度补偿电路精确匹配晶体的温度曲线,振荡器的频率将随着温度的变化保持恒定.由于可用晶体的可变性和可用的热敏电阻系数,这在现实世界中是不可获得的.每个晶体的温度稳定性略有不同,精确的热敏电阻系数和值不能始终提供完美的网络区域.
       通常,给定的热敏电阻组用于生产批次中的所有TCXO.这将允许大多数TCXO被修正为可接受的稳定性.如果需要更严格的温度稳定性,可以在生产过程中调整热敏电阻,但由于测试时间较长,TCXO晶振的成本会增加.要克服的另一个主要问题是晶体温度稳定性的扰动(曲线拟合数据的偏差).这些与平滑温度曲线的偏差难以补偿,如果它们的持续时间很短,则无法补偿.如果TCXO的温度稳定性要求太紧,可能必须更换一些晶体并开始生产测试.这将增加TCXO的成本.
       由于TCXO的老化速率为0.50ppm/年至2.0ppm/年,因此需要将频率调整为+25°C以抵消老化效应.大多数TCXO具有类似于时钟振荡器的机械频率调整.典型的调节范围为±5ppm.
压控晶体振荡器(VCXO):
       典型的偏差范围:±10ppm至±2000ppm.
       典型老化率:±1ppm/年至±5ppm/年
       VCXO振荡器(压控晶体振荡器)是晶体振荡器,其频率可通过外部施加的电压进行调节.VCXO在频率调制(FM)和锁相环(PLL)系统中具有广泛的应用.压控振荡器的频率由称为变容二极管的器件维持.该器件本质上是一个电压可变电容器.变容二极管的电容与施加的电压成反比.
       要了解二极管如何成为电压可变电容器,首先要考虑什么是电容器.它由两个带电介质的带相反电荷的板组成.二极管只不过是PN硅结.两个区域的相对边缘用作板.反向偏置迫使电荷远离其正常区域并形成耗尽层.电压越大,耗尽层越宽.这增加了板之间的距离,这降低了电容.为了获得更大的调谐范围,一些变容二极管具有超突变结.超突变变容二极管中的掺杂在结点附近更密集,这导致耗尽层更窄,并且电容更大.因此,反向电压的变化对电容的影响更大.
        VCXO的传递函数(或斜率极性)是频率变化相对于控制电压的方向.这可能是正的(意味着电压的正变化将导致频率变高)或负的(意味着电压的负变化将导致频率变高.)需要指定此参数或假设某个斜率由制造商.作为一般经验法则,不要指定比必要更多的偏差范围.这是因为具有更多偏差的VCXO晶振在温度和时间方面不太稳定.举个例子:
       1.在0°C至+50°C范围内,VCXO的±25ppm偏差的温度稳定性可能为±10ppm,年老化率为±1ppm.
       2.在0°C至+50°C范围内,VCXO的±1000ppm偏差的温度稳定性可能为±100ppm,年老化率为±5ppm.
石英晶体和时钟振荡器:
       典型老化率:±1ppm/年至±5ppm/年
       典型校准公差:对于AT晶体,将为±10ppm
       典型频率调节范围:±10ppm至±20ppm
       晶体控制时钟振荡器(XO)是一种通过固有的温度稳定性实现其温度稳定性的器件.该特性通常以百万分之几(ppm)表示.室温(+25°C)下的初始精度取决于大部分晶体的校准.可以结合频率调节电子电路,以便可以调节室温下的标称频率以进行老化.这种频率调节可以通过使用微调电容器来实现,典型的调节范围是±10ppm至±20ppm.通过这种类型的调整,+25°C的频率通常可以设置为±1ppm.

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