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百利晶振OCXO的解剖-烤箱控制的晶體振蕩器

來(lái)源:http://www.lbfp.com.cn 作者:億金電子 2022年02月25
OCXO
烤箱控制晶體振蕩器基礎(chǔ)知識(shí)
        當(dāng)談到基于石英的頻率控制設(shè)備時(shí),OCXO(或烤箱控制的晶體振蕩器)接近食物鏈的頂端,僅被強(qiáng)大的 DOCXO 或雙烤箱取代!
        OCXO 是一種溫度控制裝置,可保持石英晶體的恒定工作溫度。 這可以防止指定頻率因環(huán)境溫度的變化而發(fā)生變化。
        晶體爐的頻率輸出取決于石英晶體的溫度。 您可以在下圖中看到,溫度會(huì)對(duì)振蕩器的頻率產(chǎn)生重大影響。
        在大多數(shù)應(yīng)用中,可以使用更簡(jiǎn)單的 TCXO 或溫度補(bǔ)償晶體振蕩器來(lái)減少環(huán)境溫度變化的負(fù)面影響。但是在某些環(huán)境中,進(jìn)口TCXO晶振無(wú)法滿足應(yīng)用程序的穩(wěn)定性要求。在這些情況下,RF 工程師可以更進(jìn)一步,利用 OCXO 提高的穩(wěn)定性。
        無(wú)論振蕩器所處的環(huán)境溫度如何,都可以通過(guò)保持接近恒定的晶體溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)這種改進(jìn)的穩(wěn)定性。在 OCXO 內(nèi)部,除了振蕩器電路之外,還有一個(gè)加熱器電路。該加熱器電路可以以多種不同方式進(jìn)行配置,但最常見(jiàn)的是比例控制烤箱,它使用加熱元件加熱晶體和熱敏電阻來(lái)感應(yīng)晶體的溫度。
        這些元件是橋接網(wǎng)絡(luò)的一部分,橋接網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)閉環(huán)反饋網(wǎng)絡(luò),將晶體的溫度保持在恒定溫度。下圖是一個(gè)常見(jiàn)的OCXO烤箱控制電路框圖。
        將晶體保持在恒定溫度可以最大限度地減少環(huán)境溫度變化的影響,從而顯著提高振蕩器的頻率穩(wěn)定性。 但是我們?nèi)绾未_定烤箱的正確設(shè)定點(diǎn)呢? 為此,我們需要再次查看晶體頻率與溫度之間的關(guān)系。 在下圖中,您可以看到曲線上有一個(gè)最佳點(diǎn),在該點(diǎn)上,相同的溫度變化將導(dǎo)致頻率的最小變化。 曲線上的這個(gè)點(diǎn)非常重要,我們給它起了一個(gè)特殊的名字,這被稱(chēng)為晶體的“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”。
        晶體的轉(zhuǎn)折點(diǎn)可以由晶體工程師“設(shè)計(jì)”,并由許多因素決定,包括從大塊石英材料切割晶體坯料的角度等簡(jiǎn)單因素。話雖如此,每個(gè)晶體的行為都會(huì)略有不同,烤箱設(shè)定點(diǎn)是針對(duì)每個(gè)生產(chǎn)的設(shè)備進(jìn)行微調(diào)的。
 
        在設(shè)計(jì)晶體的轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí),必須考慮一個(gè)常見(jiàn)的設(shè)計(jì)權(quán)衡。理想的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將晶體的轉(zhuǎn)折點(diǎn)設(shè)置在 OCXO 的最高工作溫度之上。這是因?yàn)榭鞠淇梢詫⒕w“加熱”到設(shè)定溫度,但如果周?chē)h(huán)境比這個(gè)設(shè)定點(diǎn)熱得多,晶體最終會(huì)加熱到超過(guò)它的設(shè)定點(diǎn)。將轉(zhuǎn)折點(diǎn)推高的不利之處在于頻率與溫度的曲線變得更加尖銳。這有效地縮小了烤箱的操作窗口,并使烤箱的準(zhǔn)確性變得至關(guān)重要。將轉(zhuǎn)折點(diǎn)推高的另一個(gè)主要缺點(diǎn)是晶體老化性能降低。
 
更好的成分,更好的比薩振蕩器
AT 與 SC 切割晶體
 
        振蕩器設(shè)計(jì)人員必須提高其 OCXO 性能的另一個(gè)選擇是改變振蕩器內(nèi)部晶體的類(lèi)型。入門(mén)級(jí) OCXO 通常使用 AT 切割晶體構(gòu)建。這些晶體具有良好的整體性能,適用于多種應(yīng)用;然而,由于需要將水晶的轉(zhuǎn)折點(diǎn)推高,AT 切割就失去了動(dòng)力。此時(shí),可以在OCXO晶振內(nèi)部使用 SC 切割晶體,以在不犧牲頻率穩(wěn)定性的情況下將轉(zhuǎn)折點(diǎn)推高。 AT cut和SC cut的頻率與溫度曲線如下圖所示。您可以看到頻率響應(yīng)在烤箱的工作溫度范圍內(nèi)更加均勻,從而提高了振蕩器的穩(wěn)定性。
除了提高頻率穩(wěn)定性外,SC 切割晶體還提供其他好處。這些好處包括:
        • 提高頻率穩(wěn)定性:從上圖中可以看出,SC 切割的響應(yīng)在更寬的溫度范圍內(nèi)比 AT 切割更平坦。這意味著在整個(gè)溫度范圍內(nèi)更嚴(yán)格的頻率穩(wěn)定性。
        • 更高的工作溫度:SC 切割晶體的轉(zhuǎn)折點(diǎn)高于 AT 切割晶體,使其成為烘箱應(yīng)用的理想選擇。這種較高轉(zhuǎn)折點(diǎn)的缺點(diǎn)是在較低溫度下急劇下降。由于這一特性,SC 切割晶體僅適用于恒溫振蕩器,在其他振蕩器配置(TCXO、VCXO 等)中無(wú)法正常工作。
        • 改進(jìn)老化:SC 切割晶體(代表“應(yīng)力補(bǔ)償”)提供改進(jìn)的老化性能,比 AT 切割晶體好 2 到 3 倍。
        • 預(yù)熱時(shí)間:SC 切割 OCXO 將比類(lèi)似的 AT 切割 OCXO 更快地穩(wěn)定在其最終頻率。
        • 相位噪聲:SC 切割晶體提供比 AT 切割晶體更好的 Q(品質(zhì))因數(shù)。這樣,OCXO的接近或接近載波相位噪聲得到改善。
        •G 靈敏度:SC 切割晶體的應(yīng)力補(bǔ)償也降低了振蕩器的g 靈敏度。石英晶振是一種機(jī)電設(shè)備……如果你在晶體上施加電壓,它就會(huì)振蕩。不利的一面是,如果您在晶體上施加振動(dòng),則會(huì)感應(yīng)出電壓。該電壓表現(xiàn)為加速度或振動(dòng)引起的相位噪聲。
 
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