解鎖精度探索TCXO技術(shù)的進(jìn)步
來源：http://www.lbfp.com.cn 作者：億金電子 2024年11月06
溫度補(bǔ)償晶振 （TCXO） 是一種在其振蕩回路中具有溫度敏感電抗電路的晶體振蕩器。在振蕩回路中具有溫度敏感電抗電路的重要性使 TCXO 能夠補(bǔ)償晶體固有的溫度特性范圍內(nèi)的頻率誤差。當(dāng)需要標(biāo)準(zhǔn)振蕩器 （XO） 或壓控振蕩器 （VCXO） 無法達(dá)到的溫度穩(wěn)定性水平時，TCXO 就是必需的。
一、TCXO 在電子系統(tǒng)中的作用
TCXO 用于許多電子系統(tǒng)，包括無線通信系統(tǒng)、手機(jī)、基站、電信、GPS 定位、汽車導(dǎo)航、計(jì)量和許多其他應(yīng)用。TCXO 在其振蕩回路中有一個溫度敏感的電抗電路，以補(bǔ)償晶體單元的頻率-溫度特性。這使得振蕩器組件能夠在指定的溫度范圍內(nèi)提供非常穩(wěn)定和準(zhǔn)確的干凈穩(wěn)定的輸出頻率。
特征：
1.高頻穩(wěn)定性
2.低相位噪聲 + 抖動
3.電壓控制
3.電壓控制
4.低功耗
5.外形小巧
應(yīng)用：
1.射頻通信
2.電信
3.聯(lián)網(wǎng)
4.物聯(lián)網(wǎng)
5.智能電表
6.工業(yè)
7.醫(yī)療
二、溫度補(bǔ)償在晶體振蕩器中的重要性
溫度補(bǔ)償是一種校準(zhǔn)系統(tǒng)性能以補(bǔ)償溫度變化影響的方法。它可以顯著減少由溫度波動對石英晶體引起的頻率漂移量。它通過施加控制電壓來調(diào)整輸出頻率來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。溫度反饋通過 NTC 熱敏電阻提供，它告訴 ASIC 要向控制電壓增加多少補(bǔ)償。通過持續(xù)監(jiān)控和更新輸出頻率，TCXO 可以保持非常低的 PPM 甚至 PPB 穩(wěn)定性。
三、舊 TCXO 的限制
早期的 TCXO 為電路世界帶來了有利的優(yōu)勢，然而，TCXO 的早期概念也受到了嚴(yán)格的限制。當(dāng)使用分立組件進(jìn)行構(gòu)建時，您會有更多的 slop，這也稱為“公差堆疊”。公差堆疊是電路設(shè)計(jì)中所有單個元件公差或其裝配的累積。每個組件都有自己的額定精度，您使用的零件越多，出現(xiàn)頻率誤差的可能性就越高。盡管在定義容差和精度方面存在困難，但在振蕩器中引入模擬補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)帶來了電氣設(shè)計(jì)的好處。TCXO 的一個意想不到的好處是，由于其分立設(shè)計(jì)，它能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。該設(shè)計(jì)提供了頻率調(diào)整作為模擬補(bǔ)償（我們將在前面的段落中更深入地討論），但仍有需要改進(jìn)的地方。
這方面的一個例子是頻率穩(wěn)定性，雖然穩(wěn)定性性能有了很大提高，但當(dāng)設(shè)計(jì)在不同的溫度條件下時仍然存在挑戰(zhàn)。事實(shí)證明，功耗是另一個需要改進(jìn)的領(lǐng)域。組件數(shù)量的增加意味著將有更多的電力消耗，這對早期的航海家來說很困難，因?yàn)樵诤叫袝r很難產(chǎn)生動力。
四、現(xiàn)代 TCXO 技術(shù)
工程師和發(fā)明家繼續(xù)尋找優(yōu)化和發(fā)展頻率組件的方法。當(dāng)今的現(xiàn)代 TCXO 設(shè)計(jì)融合了廣泛的新技術(shù)，可解決性能優(yōu)化的許多領(lǐng)域。先進(jìn)材料、制造技術(shù)和電路架構(gòu)的引入極大地提高了頻率穩(wěn)定性，降低了相位噪聲、抖動，并增強(qiáng)了當(dāng)今 TCXO 的整體性能。使用現(xiàn)代制造工藝生產(chǎn)高質(zhì)量的 AT 切割石英晶體坯料，使現(xiàn)代 TCXO 能夠?qū)崿F(xiàn)分層級穩(wěn)定性。基于 ASIC 的現(xiàn)代 TCXO 的意外后果之一是從模擬補(bǔ)償?shù)綌?shù)字補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)變。基于 ASIC 的 TCXO 純粹是一個數(shù)字處理電路，它由一個非連續(xù)的電信號組成。從根本上說， TCXO 的功能是相同的，只是補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用方式不同。當(dāng)溫度變化達(dá)到補(bǔ)償閾值時，數(shù)字補(bǔ)償會施加一個突然的電壓，立即將頻率移回中心頻率。這些突然的頻率校正稱為微跳躍。頻率的突然變化會使具有敏感頻率標(biāo)準(zhǔn)的電路難以保持功能。我們可以大大減少微跳轉(zhuǎn)的方法之一是使用偽模擬補(bǔ)償。使用模擬補(bǔ)償時，有一個連續(xù)的電信號，這會導(dǎo)致連續(xù)的溫度變化。通過回轉(zhuǎn)或抑制補(bǔ)償率，您可以最大限度地減少頻率的突然變化。Micro-jumps 可能會對使用 TCXO 作為其 clock的敏感處理和 PLL 電路造成問題。微跳轉(zhuǎn)的負(fù)面影響可能是 PLL 電路的數(shù)據(jù)丟失或失鎖。
接下來，我們將看一個繪圖圖，該圖顯示了數(shù)字補(bǔ)償與模擬補(bǔ)償在溫度范圍內(nèi)的影響。這將直觀地顯示我們之前討論的數(shù)字補(bǔ)償中的頻率跳躍或微跳躍。視覺效果很好地描述了模擬補(bǔ)償在穩(wěn)定頻率和減輕微跳躍方面的積極影響。下面的藍(lán)色數(shù)字圖清楚地顯示了應(yīng)用數(shù)字校正時出現(xiàn)的顯著頻率跳躍。micro-jumps 足夠大，足以導(dǎo)致依賴于此 clock的敏感電子設(shè)備出現(xiàn)問題。綠色模擬圖顯示了更線性的補(bǔ)償，幾乎沒有微跳轉(zhuǎn)。
五、溫度補(bǔ)償技術(shù)
TCXO 在芯片中內(nèi)置了一個溫度傳感器，用于監(jiān)控溫度并自校準(zhǔn)以校正頻率輸出。此過程有助于提供穩(wěn)定的輸出頻率，確保無縫的用戶體驗(yàn)。TCXO 可以在特定溫度范圍內(nèi)補(bǔ)償?shù)教囟ǖ念l率穩(wěn)定性。例如，TCXO 可以補(bǔ)償?shù)降陀诎偃f分之 1 （ppm） 的工業(yè)工作溫度范圍為 -40°C 至 +85°C。TCXO 為依賴穩(wěn)定頻率輸出的設(shè)計(jì)帶來精確定時。溫度補(bǔ)償振蕩器非常適合用于穩(wěn)定的時鐘，如 Stratum、GPS、RF、家庭基站和移動連接應(yīng)用。接下來，我們將看一個圖表，該圖表將直觀地顯示 TCXO 的工作原理。我們將查看未補(bǔ)償和未補(bǔ)償?shù)念l率圖。圖中包括顯示 TCXO 隨溫度變化的補(bǔ)償頻率的繪圖數(shù)據(jù)。如果我們看一下下圖，我們就會看到溫度補(bǔ)償在實(shí)踐中是什么樣的。藍(lán)線表示所需的基本頻率。紅線表示標(biāo)準(zhǔn)振蕩器的頻率隨溫度變化。當(dāng)我們沿著溫度范圍移動時，我們可以看到沿紅線的頻率發(fā)生了顯著變化。黑色虛線表示施加到控制電壓輸入的補(bǔ)償。
如您所見，它施加的反向信號幾乎與溫度變化引起的誤差完全匹配。綠線表示紅線和虛線的總和。如您所見，綠線的穩(wěn)定性要低得多，只有很小的頻率漂移。同樣的原理也用于噪聲和穩(wěn)定性精度至關(guān)重要的各種終端應(yīng)用，例如降噪耳機(jī)。
六、未來趨勢和展望
隨著硅設(shè)計(jì)和石英晶體技術(shù)的改進(jìn)。我們可以期待 TCXO 功能的許多進(jìn)一步改進(jìn)，這將提高整體性能和電流消耗。標(biāo)準(zhǔn) TCXO 在溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性約為 ±2.5 ppm，穩(wěn)定性為 ±50 ppb。隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們可以預(yù)期更高級別的穩(wěn)定性需求將會增加。考慮到未來的技術(shù)需求，ECS Inc. 發(fā)布了 Stratum 3E，它提供 ±4.6 ppm 的自由運(yùn)行穩(wěn)定性，包括在 24 小時內(nèi)保持 ±0.012 ppm。
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