正確的選擇晶體振蕩器類型其實可以很簡單
來源：http://www.theqj.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:穩態條件下的1.5瓦至2.0瓦(環境溫度+25°C)
一個OCXO是一個晶體振蕩器,其是由溫度迷你內部恒溫.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鍵部件的一致溫度.OCXO通常在需要±1x10-8或更高的溫度穩定性時使用.雖然這種類型的振蕩器比TCXO在溫度穩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的關鍵是在外部環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,其中位于房屋內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折點之一(參見晶體部分).在轉折點,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.一般的經驗法則是,您需要晶體的轉折點比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“設定點”,并通過在正常生產過程中選擇的選定值電阻器進行調節.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境溫度變化.比較器電路然后調節產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到原始設定點溫度.
堅持與房子比較...OCXO使用絕緣材料與房子類似.絕緣用于減輕環境溫度變化的影響并減少維持設定點溫度所需的功率.使用的絕緣越好,保持在設定溫度點所需的功率越小.今天越來越多的RF應用需要更低的功率輸入,因此絕緣起著關鍵作用.典型OCXO的溫度控制器電路將設定點溫度保持在±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的環境變化,兩個溫度控制器的組合可將設定點溫度保持在±0.10°C以內.
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環境溫度下雙爐振蕩器的典型功率輸入在穩態條件下為3.0瓦至4.0瓦.由于OCXO的老化速率為0.20ppm/年至2.0x10-8/年,因此需要將頻率調整為+25°C以抵消老化效應.大多數OCXO都具有類似于TCXO振蕩器的機械頻率調整.典型的調節范圍為+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定性.某些類型的切口在其轉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的基本構建模塊是VCXO,偏差范圍約為±50ppm,溫度敏感網絡.該溫度敏感網絡(溫度補償電路)向變容二極管施加電壓,該電壓在工作溫度范圍內的任何溫度下校正VCXO的頻率.從TCXO獲得的典型溫度穩定性為±0.20ppm至±2.0ppm.由此可以看出,TCXO在時鐘振蕩器上的溫度穩定性提高了十倍.
TCXO電路:
要創建溫度補償電路,您需要一些東西來感知環境溫度.熱敏電阻是大多數溫補晶振中的典型傳感器件.熱敏電阻是電阻器件,其電阻取決于環境溫度.
有兩種類型的熱敏電阻:
1.系數為正的系數:隨著溫度的升高,它們的阻力會上升
2.具有負系數的那些: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絡,以在任何溫度下產生所需的校正電壓.然后將該校正電壓施加到變容二極管.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,這在現實世界中是不可獲得的.每個晶體的溫度穩定性略有不同,精確的熱敏電阻系數和值不能始終提供完美的網絡區域.
通常,給定的熱敏電阻組用于生產批次中的所有TCXO.這將允許大多數TCXO被修正為可接受的穩定性.如果需要更嚴格的溫度穩定性,可以在生產過程中調整熱敏電阻,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定性的擾動(曲線擬合數據的偏差).這些與平滑溫度曲線的偏差難以補償,如果它們的持續時間很短,則無法補償.如果TCXO的溫度穩定性要求太緊,可能必須更換一些晶體并開始生產測試.這將增加TCXO的成本.
由于TCXO的老化速率為0.50ppm/年至2.0ppm/年,因此需要將頻率調整為+25°C以抵消老化效應.大多數TCXO具有類似于時鐘振蕩器的機械頻率調整.典型的調節范圍為±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節.VCXO在頻率調制(FM)和鎖相環(PLL)系統中具有廣泛的應用.壓控振蕩器的頻率由稱為變容二極管的器件維持.該器件本質上是一個電壓可變電容器.變容二極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.它由兩個帶電介質的帶相反電荷的板組成.二極管只不過是PN硅結.兩個區域的相對邊緣用作板.反向偏置迫使電荷遠離其正常區域并形成耗盡層.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.為了獲得更大的調諧范圍,一些變容二極管具有超突變結.超突變變容二極管中的摻雜在結點附近更密集,這導致耗盡層更窄,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(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致頻率變高)或負的(意味著電壓的負變化將導致頻率變高.)需要指定此參數或假設某個斜率由制造商.作為一般經驗法則,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定.舉個例子:
1.在0°C至+50°C范圍內,VCXO的±25ppm偏差的溫度穩定性可能為±10ppm,年老化率為±1ppm.
2.在0°C至+50°C范圍內,VCXO的±1000ppm偏差的溫度穩定性可能為±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
典型頻率調節范圍:±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定性實現其溫度穩定性的器件.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.可以結合頻率調節電子電路,以便可以調節室溫下的標稱頻率以進行老化.這種頻率調節可以通過使用微調電容器來實現,典型的調節范圍是±10ppm至±20ppm.通過這種類型的調整,+25°C的頻率通常可以設置為±1ppm.
烤箱控制晶體振蕩器(OCXO):
典型溫度穩定性:±1x10-7至±1x10-9典型老化率:±2x10-7/年至±2x10-8/年
典型功耗:穩態條件下的1.5瓦至2.0瓦(環境溫度+25°C)
一個OCXO是一個晶體振蕩器,其是由溫度迷你內部恒溫.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鍵部件的一致溫度.OCXO通常在需要±1x10-8或更高的溫度穩定性時使用.雖然這種類型的振蕩器比TCXO在溫度穩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的關鍵是在外部環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,其中位于房屋內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折點之一(參見晶體部分).在轉折點,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.一般的經驗法則是,您需要晶體的轉折點比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“設定點”,并通過在正常生產過程中選擇的選定值電阻器進行調節.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境溫度變化.比較器電路然后調節產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到原始設定點溫度.
堅持與房子比較...OCXO使用絕緣材料與房子類似.絕緣用于減輕環境溫度變化的影響并減少維持設定點溫度所需的功率.使用的絕緣越好,保持在設定溫度點所需的功率越小.今天越來越多的RF應用需要更低的功率輸入,因此絕緣起著關鍵作用.典型OCXO的溫度控制器電路將設定點溫度保持在±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的環境變化,兩個溫度控制器的組合可將設定點溫度保持在±0.10°C以內.
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環境溫度下雙爐振蕩器的典型功率輸入在穩態條件下為3.0瓦至4.0瓦.由于OCXO的老化速率為0.20ppm/年至2.0x10-8/年,因此需要將頻率調整為+25°C以抵消老化效應.大多數OCXO都具有類似于TCXO振蕩器的機械頻率調整.典型的調節范圍為+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定性.某些類型的切口在其轉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的基本構建模塊是VCXO,偏差范圍約為±50ppm,溫度敏感網絡.該溫度敏感網絡(溫度補償電路)向變容二極管施加電壓,該電壓在工作溫度范圍內的任何溫度下校正VCXO的頻率.從TCXO獲得的典型溫度穩定性為±0.20ppm至±2.0ppm.由此可以看出,TCXO在時鐘振蕩器上的溫度穩定性提高了十倍.
TCXO電路:
要創建溫度補償電路,您需要一些東西來感知環境溫度.熱敏電阻是大多數溫補晶振中的典型傳感器件.熱敏電阻是電阻器件,其電阻取決于環境溫度.
有兩種類型的熱敏電阻:
1.系數為正的系數:隨著溫度的升高,它們的阻力會上升
2.具有負系數的那些: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絡,以在任何溫度下產生所需的校正電壓.然后將該校正電壓施加到變容二極管.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,這在現實世界中是不可獲得的.每個晶體的溫度穩定性略有不同,精確的熱敏電阻系數和值不能始終提供完美的網絡區域.
通常,給定的熱敏電阻組用于生產批次中的所有TCXO.這將允許大多數TCXO被修正為可接受的穩定性.如果需要更嚴格的溫度穩定性,可以在生產過程中調整熱敏電阻,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定性的擾動(曲線擬合數據的偏差).這些與平滑溫度曲線的偏差難以補償,如果它們的持續時間很短,則無法補償.如果TCXO的溫度穩定性要求太緊,可能必須更換一些晶體并開始生產測試.這將增加TCXO的成本.
由于TCXO的老化速率為0.50ppm/年至2.0ppm/年,因此需要將頻率調整為+25°C以抵消老化效應.大多數TCXO具有類似于時鐘振蕩器的機械頻率調整.典型的調節范圍為±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節.VCXO在頻率調制(FM)和鎖相環(PLL)系統中具有廣泛的應用.壓控振蕩器的頻率由稱為變容二極管的器件維持.該器件本質上是一個電壓可變電容器.變容二極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.它由兩個帶電介質的帶相反電荷的板組成.二極管只不過是PN硅結.兩個區域的相對邊緣用作板.反向偏置迫使電荷遠離其正常區域并形成耗盡層.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.為了獲得更大的調諧范圍,一些變容二極管具有超突變結.超突變變容二極管中的摻雜在結點附近更密集,這導致耗盡層更窄,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(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致頻率變高)或負的(意味著電壓的負變化將導致頻率變高.)需要指定此參數或假設某個斜率由制造商.作為一般經驗法則,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定.舉個例子:
1.在0°C至+50°C范圍內,VCXO的±25ppm偏差的溫度穩定性可能為±10ppm,年老化率為±1ppm.
2.在0°C至+50°C范圍內,VCXO的±1000ppm偏差的溫度穩定性可能為±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
典型頻率調節范圍:±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定性實現其溫度穩定性的器件.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.可以結合頻率調節電子電路,以便可以調節室溫下的標稱頻率以進行老化.這種頻率調節可以通過使用微調電容器來實現,典型的調節范圍是±10ppm至±20ppm.通過這種類型的調整,+25°C的頻率通常可以設置為±1ppm.
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