正確的選擇晶體振蕩器類型其實可以很簡單
來源：http://www.cbjur26.cn 作者：康華爾電子 2019年09月20
購買過晶體或振蕩器的采購都知道,現(xiàn)今的頻率元件市場讓人眼花繚亂,五花八門的不知如何選擇,同樣一款晶振可以有很多種規(guī)格,品牌可以挑選,但卻不知道哪種是最合適的.尤其是石英晶體振蕩器系列的,因為振蕩器常見的類型至少有4種,分別是SPXO,TCXO,VCXO,OCXO這幾種.高精度,低電壓,低功率,小體積基本上算是標準要求了,但符合這些性能的晶體振蕩器何止千千萬萬.康華爾電子整理了這4種振蕩器完整的功能特性,和電路資料,通過對比和分析,相信會更容易選擇.
典型老化率:±2x10-7/年至±2x10-8/年
典型功耗:穩(wěn)態(tài)條件下的1.5瓦至2.0瓦(環(huán)境溫度+25°C)
一個OCXO是一個晶體振蕩器,其是由溫度迷你內(nèi)部恒溫.這種類型的振蕩器具有溫度控制電路,以保持晶體和其他關(guān)鍵部件的一致溫度.OCXO通常在需要±1x10-8或更高的溫度穩(wěn)定性時使用.雖然這種類型的振蕩器比TCXO在溫度穩(wěn)定性方面有十倍的改進,但OCXO晶振的價格往往更高并且消耗更多功率.
OCXO電路的溫度特性:
OCXO的關(guān)鍵是在外部環(huán)境溫度變化時將晶體和一些其他振蕩器元件保持在一個特定溫度.這可能與冬天的房屋有關(guān),其中位于房屋內(nèi)的恒溫器檢測到溫度變化并控制爐子以保持所需的溫度.
什么是所需的操作溫度?操作溫度是晶體的轉(zhuǎn)折點之一(參見晶體部分).在轉(zhuǎn)折點,頻率與溫度曲線的斜率為零.這意味著即使溫度略微上升或下降,頻率變化也是最小的.請注意,對于OCXO,晶體的轉(zhuǎn)折點溫度必須高于溫度范圍的上限.這是因為如果外部溫度為+35°C,您無法使用爐子將房屋的溫度控制在+25°C.一般的經(jīng)驗法則是,您需要晶體的轉(zhuǎn)折點比OCXO振蕩器電路的工作溫度高10°C.
對于OCXO,熱敏電阻(我們將在TCXO部分中更多地討論這個問題)相當于家中的恒溫器.它用于檢測晶體和石英振蕩器電路的溫度.熱源可以是功率晶體管或功率電阻器.所需的最后一個部件是比較器電路,用于控制熱源中產(chǎn)生的功率量.
比較器電路:
比較器電路由運算放大器和配置為高增益放大器的其他組件(電阻器和電容器)組成.操作溫度稱為“設(shè)定點”,并通過在正常生產(chǎn)過程中選擇的選定值電阻器進行調(diào)節(jié).在正常操作期間,熱敏電阻通過改變到略微不同的電阻值來感測環(huán)境溫度變化.比較器電路然后調(diào)節(jié)產(chǎn)生的功率以使熱敏電阻返回到原始電阻值并且晶體和電路溫度恢復(fù)到原始設(shè)定點溫度.
堅持與房子比較...OCXO使用絕緣材料與房子類似.絕緣用于減輕環(huán)境溫度變化的影響并減少維持設(shè)定點溫度所需的功率.使用的絕緣越好,保持在設(shè)定溫度點所需的功率越小.今天越來越多的RF應(yīng)用需要更低的功率輸入,因此絕緣起著關(guān)鍵作用.典型OCXO的溫度控制器電路將設(shè)定點溫度保持在±1°C或更低.
雙爐OCXO:
甲雙爐型振蕩器(DOCXO)可能需要更緊如果穩(wěn)定性是必需的(±1×10-105×10-11至±).通過將OCXO放入另一個烤箱包裝中來制作DOCXO.該外部烤箱將緩沖OCXO的環(huán)境變化,兩個溫度控制器的組合可將設(shè)定點溫度保持在±0.10°C以內(nèi).
使用DOCXO的一些最大挫折包括:
1.它們需要更大的包裝尺寸
2.他們消耗更多的力量
3.通常更貴
在+25°C環(huán)境溫度下雙爐振蕩器的典型功率輸入在穩(wěn)態(tài)條件下為3.0瓦至4.0瓦.由于OCXO的老化速率為0.20ppm/年至2.0x10-8/年,因此需要將頻率調(diào)整為+25°C以抵消老化效應(yīng).大多數(shù)OCXO都具有類似于TCXO振蕩器的機械頻率調(diào)整.典型的調(diào)節(jié)范圍為+2ppm至±0.20ppm.
OCXO中的石英晶體切割類型:
晶體切割的類型也會增加振蕩器的穩(wěn)定性.某些類型的切口在其轉(zhuǎn)折點處具有不同的頻率與溫度的斜率.兩種最常見的切割類型是AT和SC切割.例如,對于+80°C的轉(zhuǎn)折點,SC切割晶體的斜率可能為5x10-9/°C,而AT型晶體的斜率可能為1x10-8/°C80°C轉(zhuǎn)折點.使用相同的溫度控制器,AT型晶體的頻率將是SC型晶體的兩倍.溫度穩(wěn)定性和工作溫度范圍要求決定了所用晶體切割的類型.
溫度控制晶體振蕩器(TCXO):
典型的溫度穩(wěn)定性:±0.20ppm至±2.0ppm
典型老化率:±0.50ppm/年至±2ppm/年
溫度控制晶體振蕩器(TCXO)的作用類似于OCXO,因為它們管理有源晶振電路的溫度.但是,他們也有很多不同之處.TCXO的基本構(gòu)建模塊是VCXO,偏差范圍約為±50ppm,溫度敏感網(wǎng)絡(luò).該溫度敏感網(wǎng)絡(luò)(溫度補償電路)向變?nèi)荻O管施加電壓,該電壓在工作溫度范圍內(nèi)的任何溫度下校正VCXO的頻率.從TCXO獲得的典型溫度穩(wěn)定性為±0.20ppm至±2.0ppm.由此可以看出,TCXO在時鐘振蕩器上的溫度穩(wěn)定性提高了十倍.
TCXO電路:
要創(chuàng)建溫度補償電路,您需要一些東西來感知環(huán)境溫度.熱敏電阻是大多數(shù)溫補晶振中的典型傳感器件.熱敏電阻是電阻器件,其電阻取決于環(huán)境溫度.
有兩種類型的熱敏電阻:
1.系數(shù)為正的系數(shù):隨著溫度的升高,它們的阻力會上升
2.具有負系數(shù)的那些:它們的電阻隨著溫度的升高而下降
典型的溫度補償電路將熱敏電阻和電阻器組合成分壓器網(wǎng)絡(luò),以在任何溫度下產(chǎn)生所需的校正電壓.然后將該校正電壓施加到變?nèi)荻O管.如果溫度補償電路精確匹配晶體的溫度曲線,振蕩器的頻率將隨著溫度的變化保持恒定.由于可用晶體的可變性和可用的熱敏電阻系數(shù),這在現(xiàn)實世界中是不可獲得的.每個晶體的溫度穩(wěn)定性略有不同,精確的熱敏電阻系數(shù)和值不能始終提供完美的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域.
通常,給定的熱敏電阻組用于生產(chǎn)批次中的所有TCXO.這將允許大多數(shù)TCXO被修正為可接受的穩(wěn)定性.如果需要更嚴格的溫度穩(wěn)定性,可以在生產(chǎn)過程中調(diào)整熱敏電阻,但由于測試時間較長,TCXO晶振的成本會增加.要克服的另一個主要問題是晶體溫度穩(wěn)定性的擾動(曲線擬合數(shù)據(jù)的偏差).這些與平滑溫度曲線的偏差難以補償,如果它們的持續(xù)時間很短,則無法補償.如果TCXO的溫度穩(wěn)定性要求太緊,可能必須更換一些晶體并開始生產(chǎn)測試.這將增加TCXO的成本.
由于TCXO的老化速率為0.50ppm/年至2.0ppm/年,因此需要將頻率調(diào)整為+25°C以抵消老化效應(yīng).大多數(shù)TCXO具有類似于時鐘振蕩器的機械頻率調(diào)整.典型的調(diào)節(jié)范圍為±5ppm.
壓控晶體振蕩器(VCXO):
典型的偏差范圍:±10ppm至±2000ppm.
典型老化率:±1ppm/年至±5ppm/年
VCXO振蕩器(壓控晶體振蕩器)是晶體振蕩器,其頻率可通過外部施加的電壓進行調(diào)節(jié).VCXO在頻率調(diào)制(FM)和鎖相環(huán)(PLL)系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用.壓控振蕩器的頻率由稱為變?nèi)荻O管的器件維持.該器件本質(zhì)上是一個電壓可變電容器.變?nèi)荻O管的電容與施加的電壓成反比.
要了解二極管如何成為電壓可變電容器,首先要考慮什么是電容器.它由兩個帶電介質(zhì)的帶相反電荷的板組成.二極管只不過是PN硅結(jié).兩個區(qū)域的相對邊緣用作板.反向偏置迫使電荷遠離其正常區(qū)域并形成耗盡層.電壓越大,耗盡層越寬.這增加了板之間的距離,這降低了電容.為了獲得更大的調(diào)諧范圍,一些變?nèi)荻O管具有超突變結(jié).超突變變?nèi)荻O管中的摻雜在結(jié)點附近更密集,這導(dǎo)致耗盡層更窄,并且電容更大.因此,反向電壓的變化對電容的影響更大.
VCXO的傳遞函數(shù)(或斜率極性)是頻率變化相對于控制電壓的方向.這可能是正的(意味著電壓的正變化將導(dǎo)致頻率變高)或負的(意味著電壓的負變化將導(dǎo)致頻率變高.)需要指定此參數(shù)或假設(shè)某個斜率由制造商.作為一般經(jīng)驗法則,不要指定比必要更多的偏差范圍.這是因為具有更多偏差的VCXO晶振在溫度和時間方面不太穩(wěn)定.舉個例子:
1.在0°C至+50°C范圍內(nèi),VCXO的±25ppm偏差的溫度穩(wěn)定性可能為±10ppm,年老化率為±1ppm.
2.在0°C至+50°C范圍內(nèi),VCXO的±1000ppm偏差的溫度穩(wěn)定性可能為±100ppm,年老化率為±5ppm.
石英晶體和時鐘振蕩器:
典型老化率:±1ppm/年至±5ppm/年
典型校準公差:對于AT晶體,將為±10ppm
典型頻率調(diào)節(jié)范圍:±10ppm至±20ppm
晶體控制時鐘振蕩器(XO)是一種通過石英晶體固有的溫度穩(wěn)定性實現(xiàn)其溫度穩(wěn)定性的器件.該特性通常以百萬分之幾(ppm)表示.室溫(+25°C)下的初始精度取決于大部分晶體的校準.可以結(jié)合頻率調(diào)節(jié)電子電路,以便可以調(diào)節(jié)室溫下的標稱頻率以進行老化.這種頻率調(diào)節(jié)可以通過使用微調(diào)電容器來實現(xiàn),典型的調(diào)節(jié)范圍是±10ppm至±20ppm.通過這種類型的調(diào)整,+25°C的頻率通常可以設(shè)置為±1ppm.
烤箱控制晶體振蕩器(OCXO):
典型溫度穩(wěn)定性:±1x10-7至±1x10-9典型老化率:±2x10-7/年至±2x10-8/年
典型功耗:穩(wěn)態(tài)條件下的1.5瓦至2.0瓦(環(huán)境溫度+25°C)
一個OCXO是一個晶體振蕩器,其是由溫度迷你內(nèi)部恒溫.這種類型的振蕩器具有溫度控制電路,以保持晶體和其他關(guān)鍵部件的一致溫度.OCXO通常在需要±1x10-8或更高的溫度穩(wěn)定性時使用.雖然這種類型的振蕩器比TCXO在溫度穩(wěn)定性方面有十倍的改進,但OCXO晶振的價格往往更高并且消耗更多功率.
OCXO電路的溫度特性:
OCXO的關(guān)鍵是在外部環(huán)境溫度變化時將晶體和一些其他振蕩器元件保持在一個特定溫度.這可能與冬天的房屋有關(guān),其中位于房屋內(nèi)的恒溫器檢測到溫度變化并控制爐子以保持所需的溫度.
什么是所需的操作溫度?操作溫度是晶體的轉(zhuǎn)折點之一(參見晶體部分).在轉(zhuǎn)折點,頻率與溫度曲線的斜率為零.這意味著即使溫度略微上升或下降,頻率變化也是最小的.請注意,對于OCXO,晶體的轉(zhuǎn)折點溫度必須高于溫度范圍的上限.這是因為如果外部溫度為+35°C,您無法使用爐子將房屋的溫度控制在+25°C.一般的經(jīng)驗法則是,您需要晶體的轉(zhuǎn)折點比OCXO振蕩器電路的工作溫度高10°C.
對于OCXO,熱敏電阻(我們將在TCXO部分中更多地討論這個問題)相當于家中的恒溫器.它用于檢測晶體和石英振蕩器電路的溫度.熱源可以是功率晶體管或功率電阻器.所需的最后一個部件是比較器電路,用于控制熱源中產(chǎn)生的功率量.
比較器電路:
比較器電路由運算放大器和配置為高增益放大器的其他組件(電阻器和電容器)組成.操作溫度稱為“設(shè)定點”,并通過在正常生產(chǎn)過程中選擇的選定值電阻器進行調(diào)節(jié).在正常操作期間,熱敏電阻通過改變到略微不同的電阻值來感測環(huán)境溫度變化.比較器電路然后調(diào)節(jié)產(chǎn)生的功率以使熱敏電阻返回到原始電阻值并且晶體和電路溫度恢復(fù)到原始設(shè)定點溫度.
堅持與房子比較...OCXO使用絕緣材料與房子類似.絕緣用于減輕環(huán)境溫度變化的影響并減少維持設(shè)定點溫度所需的功率.使用的絕緣越好,保持在設(shè)定溫度點所需的功率越小.今天越來越多的RF應(yīng)用需要更低的功率輸入,因此絕緣起著關(guān)鍵作用.典型OCXO的溫度控制器電路將設(shè)定點溫度保持在±1°C或更低.
雙爐OCXO:
甲雙爐型振蕩器(DOCXO)可能需要更緊如果穩(wěn)定性是必需的(±1×10-105×10-11至±).通過將OCXO放入另一個烤箱包裝中來制作DOCXO.該外部烤箱將緩沖OCXO的環(huán)境變化,兩個溫度控制器的組合可將設(shè)定點溫度保持在±0.10°C以內(nèi).
使用DOCXO的一些最大挫折包括:
1.它們需要更大的包裝尺寸
2.他們消耗更多的力量
3.通常更貴
在+25°C環(huán)境溫度下雙爐振蕩器的典型功率輸入在穩(wěn)態(tài)條件下為3.0瓦至4.0瓦.由于OCXO的老化速率為0.20ppm/年至2.0x10-8/年,因此需要將頻率調(diào)整為+25°C以抵消老化效應(yīng).大多數(shù)OCXO都具有類似于TCXO振蕩器的機械頻率調(diào)整.典型的調(diào)節(jié)范圍為+2ppm至±0.20ppm.
OCXO中的石英晶體切割類型:
晶體切割的類型也會增加振蕩器的穩(wěn)定性.某些類型的切口在其轉(zhuǎn)折點處具有不同的頻率與溫度的斜率.兩種最常見的切割類型是AT和SC切割.例如,對于+80°C的轉(zhuǎn)折點,SC切割晶體的斜率可能為5x10-9/°C,而AT型晶體的斜率可能為1x10-8/°C80°C轉(zhuǎn)折點.使用相同的溫度控制器,AT型晶體的頻率將是SC型晶體的兩倍.溫度穩(wěn)定性和工作溫度范圍要求決定了所用晶體切割的類型.
溫度控制晶體振蕩器(TCXO):
典型的溫度穩(wěn)定性:±0.20ppm至±2.0ppm
典型老化率:±0.50ppm/年至±2ppm/年
溫度控制晶體振蕩器(TCXO)的作用類似于OCXO,因為它們管理有源晶振電路的溫度.但是,他們也有很多不同之處.TCXO的基本構(gòu)建模塊是VCXO,偏差范圍約為±50ppm,溫度敏感網(wǎng)絡(luò).該溫度敏感網(wǎng)絡(luò)(溫度補償電路)向變?nèi)荻O管施加電壓,該電壓在工作溫度范圍內(nèi)的任何溫度下校正VCXO的頻率.從TCXO獲得的典型溫度穩(wěn)定性為±0.20ppm至±2.0ppm.由此可以看出,TCXO在時鐘振蕩器上的溫度穩(wěn)定性提高了十倍.
TCXO電路:
要創(chuàng)建溫度補償電路,您需要一些東西來感知環(huán)境溫度.熱敏電阻是大多數(shù)溫補晶振中的典型傳感器件.熱敏電阻是電阻器件,其電阻取決于環(huán)境溫度.
有兩種類型的熱敏電阻:
1.系數(shù)為正的系數(shù):隨著溫度的升高,它們的阻力會上升
2.具有負系數(shù)的那些:它們的電阻隨著溫度的升高而下降
典型的溫度補償電路將熱敏電阻和電阻器組合成分壓器網(wǎng)絡(luò),以在任何溫度下產(chǎn)生所需的校正電壓.然后將該校正電壓施加到變?nèi)荻O管.如果溫度補償電路精確匹配晶體的溫度曲線,振蕩器的頻率將隨著溫度的變化保持恒定.由于可用晶體的可變性和可用的熱敏電阻系數(shù),這在現(xiàn)實世界中是不可獲得的.每個晶體的溫度穩(wěn)定性略有不同,精確的熱敏電阻系數(shù)和值不能始終提供完美的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域.
通常,給定的熱敏電阻組用于生產(chǎn)批次中的所有TCXO.這將允許大多數(shù)TCXO被修正為可接受的穩(wěn)定性.如果需要更嚴格的溫度穩(wěn)定性,可以在生產(chǎn)過程中調(diào)整熱敏電阻,但由于測試時間較長,TCXO晶振的成本會增加.要克服的另一個主要問題是晶體溫度穩(wěn)定性的擾動(曲線擬合數(shù)據(jù)的偏差).這些與平滑溫度曲線的偏差難以補償,如果它們的持續(xù)時間很短,則無法補償.如果TCXO的溫度穩(wěn)定性要求太緊,可能必須更換一些晶體并開始生產(chǎn)測試.這將增加TCXO的成本.
由于TCXO的老化速率為0.50ppm/年至2.0ppm/年,因此需要將頻率調(diào)整為+25°C以抵消老化效應(yīng).大多數(shù)TCXO具有類似于時鐘振蕩器的機械頻率調(diào)整.典型的調(diào)節(jié)范圍為±5ppm.
壓控晶體振蕩器(VCXO):
典型的偏差范圍:±10ppm至±2000ppm.
典型老化率:±1ppm/年至±5ppm/年
VCXO振蕩器(壓控晶體振蕩器)是晶體振蕩器,其頻率可通過外部施加的電壓進行調(diào)節(jié).VCXO在頻率調(diào)制(FM)和鎖相環(huán)(PLL)系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用.壓控振蕩器的頻率由稱為變?nèi)荻O管的器件維持.該器件本質(zhì)上是一個電壓可變電容器.變?nèi)荻O管的電容與施加的電壓成反比.
要了解二極管如何成為電壓可變電容器,首先要考慮什么是電容器.它由兩個帶電介質(zhì)的帶相反電荷的板組成.二極管只不過是PN硅結(jié).兩個區(qū)域的相對邊緣用作板.反向偏置迫使電荷遠離其正常區(qū)域并形成耗盡層.電壓越大,耗盡層越寬.這增加了板之間的距離,這降低了電容.為了獲得更大的調(diào)諧范圍,一些變?nèi)荻O管具有超突變結(jié).超突變變?nèi)荻O管中的摻雜在結(jié)點附近更密集,這導(dǎo)致耗盡層更窄,并且電容更大.因此,反向電壓的變化對電容的影響更大.
VCXO的傳遞函數(shù)(或斜率極性)是頻率變化相對于控制電壓的方向.這可能是正的(意味著電壓的正變化將導(dǎo)致頻率變高)或負的(意味著電壓的負變化將導(dǎo)致頻率變高.)需要指定此參數(shù)或假設(shè)某個斜率由制造商.作為一般經(jīng)驗法則,不要指定比必要更多的偏差范圍.這是因為具有更多偏差的VCXO晶振在溫度和時間方面不太穩(wěn)定.舉個例子:
1.在0°C至+50°C范圍內(nèi),VCXO的±25ppm偏差的溫度穩(wěn)定性可能為±10ppm,年老化率為±1ppm.
2.在0°C至+50°C范圍內(nèi),VCXO的±1000ppm偏差的溫度穩(wěn)定性可能為±100ppm,年老化率為±5ppm.
石英晶體和時鐘振蕩器:
典型老化率:±1ppm/年至±5ppm/年
典型校準公差:對于AT晶體,將為±10ppm
典型頻率調(diào)節(jié)范圍:±10ppm至±20ppm
晶體控制時鐘振蕩器(XO)是一種通過石英晶體固有的溫度穩(wěn)定性實現(xiàn)其溫度穩(wěn)定性的器件.該特性通常以百萬分之幾(ppm)表示.室溫(+25°C)下的初始精度取決于大部分晶體的校準.可以結(jié)合頻率調(diào)節(jié)電子電路,以便可以調(diào)節(jié)室溫下的標稱頻率以進行老化.這種頻率調(diào)節(jié)可以通過使用微調(diào)電容器來實現(xiàn),典型的調(diào)節(jié)范圍是±10ppm至±20ppm.通過這種類型的調(diào)整,+25°C的頻率通常可以設(shè)置為±1ppm.
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