米利倫OCXO晶振可最大程度替代銣振蕩器的有哪些方面

絕大部分人都沒有聽過什么是銣振蕩器,它的全名是銣原子振蕩器,從名稱上看就知道這種晶振的原材料絕不是石英或硅晶,而是應(yīng)用一種新型的陶瓷填充,利用其微波腔有效的減小物理部分體積.它的做種有很多,比如可以縮小體積,壽命加長,成本低,低老化率,極高的穩(wěn)定性和非常低相位噪聲等,但同樣也有致命的弱點.由于技術(shù)和材料限制了大量生產(chǎn)的需求,制造過程也比較復(fù)雜與普通的振蕩器差別較大,但是部分特殊產(chǎn)品非常需要銣振蕩器,卻極少有晶體制造商可以大量的供應(yīng).

為了提供銣振蕩器的替代品,MTI-Millien晶振公司設(shè)計并開發(fā)了一種超穩(wěn)定的恒溫晶體振蕩器(260系列).該振蕩器已被開發(fā)用于保持銣振蕩器的可比性能參數(shù)至關(guān)重要的應(yīng)用中,而不會出現(xiàn)較高的成本和可能對系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)造成損害的固有磨損現(xiàn)象.精密石英晶體振蕩器在滿足從衛(wèi)星通信系統(tǒng)到電話基站和數(shù)字電話網(wǎng)絡(luò)等各種應(yīng)用需求方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用.這些應(yīng)用中的每一個都對現(xiàn)有的頻率源提出了嚴格的要求,不僅是為了性能,也是為了降低成本.

銣振蕩器在很大程度上滿足了許多最嚴格的性能要求.然而,銣振蕩器還不能滿足一些關(guān)鍵領(lǐng)域.它們是:熱穩(wěn)定性、功耗、可靠性、使用壽命、尺寸和成本.另一方面,石英振蕩器通常沒有這些缺點.然而,石英晶體振蕩器還沒有達到銣振蕩器性能的兩個參數(shù)是老化和預(yù)熱.對于低老化率至關(guān)重要的應(yīng)用,可以使用銫、銣或全球定位系統(tǒng)等主要頻率標(biāo)準來控制石英振蕩器并補償這一特性.

260系列是利用SC切割石英諧振器結(jié)合雙爐技術(shù)開發(fā)的,以提供在許多方面與銣振蕩器相當(dāng)?shù)男阅芴卣?/span>.開發(fā)260系列振蕩器的主要設(shè)計目標(biāo)是:

卓越的熱穩(wěn)定性

低相位噪聲

低功耗

縮小尺寸

可制造性和一致性

低成本

20年壽命

設(shè)計和施工

必須實現(xiàn)總體尺寸小的基本設(shè)計目標(biāo),以便在預(yù)熱和連續(xù)運行期間將功率降至最低.它還將支持低零件數(shù)量的目標(biāo),從而降低成本,同時帶來更適合大規(guī)模制造環(huán)境的設(shè)計. 

圖1:260系列結(jié)構(gòu)框圖

為達到所需的熱穩(wěn)定性

<2e-10/100℃和低相位噪聲,260系列設(shè)計采用封閉在雙爐中的SC切割石英晶體.圖1顯示了振蕩器的結(jié)構(gòu)框圖.石英晶體和維持電路位于內(nèi)部烤箱內(nèi)部.然后,內(nèi)部烤箱組件被第二個外部烤箱組件包圍.這為石英晶體和振蕩器組件提供了高度穩(wěn)定的溫度控制外殼,從而具有出色的熱穩(wěn)定性能和低相位噪聲,尤其是在距載波頻率低于1Hz的頻率下.如圖1的方框圖所示,內(nèi)部烤箱控制和輸出放大器電路也被外部烤箱組件包圍.這通過減少溫度變化對內(nèi)部烤箱控制和放大器電路的影響,提供了更好的熱穩(wěn)定性.

對比

過去幾年,the振蕩器的開發(fā)取得了進展-主要是在減小尺寸方面.但是,of振蕩器的性能仍然存在某些固有的缺點.這種缺點的例子是are燈的壽命有限,振蕩器的總質(zhì)量,熱穩(wěn)定性,相位噪聲和功耗等.

260系列尺寸為50.8mmx50.8mmx38.1mm(0.098cm3),重量為150g.這種微型封裝在in振蕩器欠缺的上述區(qū)域提供了卓越的性能.例如,在-30℃~+70℃的溫度范圍內(nèi),10MHz(利用5MHz晶體,然后將其倍增)的260系列振蕩器的熱穩(wěn)定性為<2e-10,<-100dBc/Hz在1Hz偏移相位噪聲特性和<5e-11/天老化率歸屬下.相比之下,在-10℃~+60℃的溫度范圍內(nèi),相同參數(shù)的典型Rub時鐘的性能<2e-10,在1Hz偏移下<-85dBc/Hz,<2e-12/day分別.260系列振蕩器的老化速率以<5e-11的速率進行測量并提供,但目前許多5MHz單元在連續(xù)運行1到2個月后達到的速率低至2到5e-12/天.表1提供了使用10MHzSC切割石英晶體的260系列振蕩器與各種against振蕩器制造商發(fā)布的一些性能結(jié)果的比較.

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出260系列振蕩器的性能是可比的,在某些情況下還超過了a振蕩器的性能.這使得260系列成為替代of振蕩器的可行選擇,特別是在提高熱穩(wěn)定性和降低成本方面.對于無法在振蕩器老化率之間做出折衷的應(yīng)用,可以將260系列與主頻率標(biāo)準(例如LoranC,T1信號,GPS等)結(jié)合使用,以規(guī)范振蕩器,以提高長期穩(wěn)定性.穩(wěn)定性能.總體結(jié)果可以是具有出色的石英短期穩(wěn)定性與銫原標(biāo)準的長期穩(wěn)定性的頻率參考.石英振蕩器具有濾波功能,可以很大程度地消除傳輸介質(zhì)的較大抖動.

測試方法和結(jié)果

迄今為止,已經(jīng)制造出4至20MHz之間的各種頻率的振蕩器.5MHz和10MHz的頻率構(gòu)成了具有統(tǒng)計意義的總體.討論的測試結(jié)果針對這兩個頻率的有源晶振.在生產(chǎn)過程中,將對每個振蕩器的以下參數(shù)進行性能評估:熱穩(wěn)定性,老化,相位噪聲,短期穩(wěn)定性和電源電壓靈敏度.接下來是對這些參數(shù)的詳細討論.

熱穩(wěn)定性

在幾周內(nèi),溫度通常是石英振蕩器不穩(wěn)定的最大原因.260系列振蕩器采用雙烤箱配置,可以大大減弱較大的環(huán)境溫度變化.熱敏的維持振蕩器電路和石英晶體被放置在內(nèi)部烤箱中,從而使環(huán)境溫度變化的影響最小化.

例如,如果外部烤箱控制電路能夠?qū)h(huán)境溫度變化衰減100倍,然后再加上類似的內(nèi)部烤箱增益,則理想情況下,內(nèi)部烤箱內(nèi)部的溫度變化將衰減10,000倍.環(huán)境溫度的變化.因此,對于100℃的環(huán)境溫度變化,示例中內(nèi)部烤箱內(nèi)部的溫度僅變化0.01℃.我們可以進行一些粗略的計算,以了解振蕩器電路和使用上述烤箱控制電路穩(wěn)定的石英晶體的預(yù)期熱性能.

假設(shè)烤箱的溫度可以設(shè)置在晶體轉(zhuǎn)折點的0.1℃以內(nèi),則具有86℃轉(zhuǎn)折點的5MHzSC切割晶體的溫度系數(shù)可以近似為8e-10/℃.組件的溫度系數(shù)估計為1e-09/℃.因此,對于烤箱溫度0.01℃的變化(由于環(huán)境溫度變化100℃),OCXO振蕩器的熱穩(wěn)定性能可能為8e-12+1e-11=1.8e-11. 

圖2:5MHz振蕩器的熱穩(wěn)定性 

圖3:10MHz振蕩器的熱穩(wěn)定性

振蕩器在整個溫度范圍內(nèi)的性能表現(xiàn)為以10℃為步長將環(huán)境溫度從最低指定溫度掃描到最高指定溫度.然后將溫度掃回到圖2和圖3右軸所示的最小值.在25℃初始溫度點和最終溫度點之間測得的頻率差用于抵消振蕩器頻率的任何漂移.假設(shè)在測試時間內(nèi)線性頻率漂移.圖2和圖3分別顯示了5MHz和10MHz振蕩器的熱穩(wěn)定性能.

老化

裝運前要確定每個振蕩器的日漂移率.這可以通過將設(shè)備通電10到20天不等來實現(xiàn).在此期間,大約每2小時會主動收集每個單元的數(shù)據(jù).每個讀數(shù)是10次頻率測量的平均值,且門時間為1秒.通過將直線統(tǒng)計地擬合到全部或部分數(shù)據(jù)集來確定測得的漂移率. 

圖4:5MHz振蕩器的老化特性

5MHz振蕩器經(jīng)過408天的老化結(jié)果如圖4所示.該振蕩器的老化速率為每天4.8e-12.對于圖5中的10MHz振蕩器,老化速率為3.3e-11/day.這兩個圖中顯示的測量不是在同一時間段內(nèi)進行的. 

圖5:10MHz振蕩器的老化特性

圖4所示數(shù)據(jù)的跳躍是由于電源故障時間延長所致.有趣的是,在前兩個電源中斷期間,該振蕩器的初始回掃值為8e-10,但是,在連續(xù)運行約60天后,回掃值減小為2e-10.在圖5中,在第70天出現(xiàn)了無法解釋的6e-9頻率跳變.在此狀態(tài)下,貼片振蕩器以相同的速率持續(xù)老化75天.此時,頻率跳回到原始的老化曲線.頻率偏移的原因未知.每種情況下的跳動可能都是由電源中斷引起的.呈現(xiàn)的老化數(shù)據(jù)代表有關(guān)電源中斷和室溫,濕度和±5℃溫度下正常環(huán)境波動的現(xiàn)實情況.這些單位位于生產(chǎn)車間,因此也經(jīng)歷了大量的人類活動.

相位噪聲 

圖6:5MHz振蕩器的相位噪聲結(jié)果 

圖7:10MHz振蕩器的相位噪聲結(jié)果

在HP3048A測試系統(tǒng)上使用兩個類似的振蕩器進行相位噪聲測量.圖6和圖7分別顯示了5MHz和10MHz振蕩器的典型相位噪聲結(jié)果.所顯示的曲線圖并不能說明均等的信號源,因此,各個單元的實際性能比圖中顯示的結(jié)果小3dB.

短期穩(wěn)定性

短期穩(wěn)定性測量結(jié)果來自使用HP3048A系統(tǒng)進行的相位噪聲測量.5MHz和10MHz振蕩器的sy(t)分別如圖8和圖9所示. 

圖8:5MHz振蕩器的短期穩(wěn)定性 

圖9:10MHz振蕩器的短期穩(wěn)定性

電源電壓靈敏度

通過將電源電壓從標(biāo)稱工作值改變±5％,對每個振蕩器進行電源電壓靈敏度測試.然后通過以10秒的門間隔平均10個樣本來獲取頻率讀數(shù).圖10和11分別顯示了5MHz和10MHz振蕩器的電源電壓靈敏度.從圖10和圖11的圖表可以看出,5MHz和10MHz振蕩器的典型性能分別為<2e-11和3e-11.測量分辨率限制在2e-11左右,因此5MHz振蕩器的實際性能尚未得到精確測量. 

圖10:5MHz振蕩器的電源電壓靈敏度 

圖11:10MHz振蕩器的電源電壓靈敏度 

圖12:5MHz振蕩器的預(yù)熱 

圖13:5MHz振蕩器的預(yù)熱(放大) 

圖14:10MHz振蕩器的預(yù)熱 

圖15:10MHz振蕩器的預(yù)熱(放大)

預(yù)熱測試是許多應(yīng)用的重要參數(shù),下面提供了該測試的數(shù)據(jù).通過關(guān)閉設(shè)備電源約24小時,對振蕩器進行預(yù)熱.然后打開這些單元的電源,并以1秒的門控間隔進行頻率測量.測試運行60分鐘,是指定預(yù)熱時間的4倍.預(yù)熱df/f是指60分鐘時的頻率.

表3顯示了28個MTI型號260-0504(5MHz)和36個260-0502(10MHz)的貼片晶振生產(chǎn)測試結(jié)果的統(tǒng)計報告.設(shè)計使用高精度振蕩器的系統(tǒng)需要仔細考慮周圍環(huán)境電子產(chǎn)品.兩個這樣的示例是熱設(shè)計考慮因素和電路走線電阻.忽略這些設(shè)計問題往往會損害振蕩器的全部性能. 

熱設(shè)計

為避免損害任何由烤箱控制的晶體振蕩器的熱穩(wěn)定性能,請勿將其與大型散熱器接觸,例如緊靠設(shè)備機箱(除預(yù)期的安裝配置外)或與通風(fēng)風(fēng)扇并排放置.振蕩器產(chǎn)生的過多熱量可能會導(dǎo)致工作環(huán)境不同于“測試”環(huán)境.結(jié)果可能會導(dǎo)致用戶的配置與制造時測得的熱穩(wěn)定性之間的相關(guān)性差異.

相反,振蕩器也不能過度絕緣.例如,如果將振蕩器周圍的絕緣提高3倍,則內(nèi)部電路產(chǎn)生的熱量也會使振蕩器的內(nèi)部溫度也升高3倍.這具有降低較高的環(huán)境工作溫度的不良作用.

接地回路

一個更細微的設(shè)計問題(也往往會損害振蕩器的整體性能)是從電源到振蕩器接地引腳的PCB走線電阻.環(huán)境溫度的變化會導(dǎo)致振蕩器電源電流發(fā)生較大變化.結(jié)果,相對于電源接地引腳,振蕩器接地引腳的視在接地電壓電平存在波動.但是,如果內(nèi)部參考振蕩器接地引腳并消耗微不足道的電流的電調(diào)諧電壓輸入引腳直接返回電源,則結(jié)果將是振蕩器接地引腳與其調(diào)諧輸入引腳之間的電壓差.其結(jié)果等同于施加與溫度成比例的調(diào)諧電壓來調(diào)諧振蕩器.

工作頻率與性能

石英振蕩器的許多工作特性可以通過選擇工作頻率來確定.決定許多振蕩器規(guī)格的基本參數(shù)是石英的電抗與頻率斜率ordX/dF值.通過以下等式可以近似得出:

dX=4×p×L1

其中L1=石英晶體的運動電感.該參數(shù)取決于晶體的幾何形狀和電極尺寸,并因此取決于石英晶體的頻率.

使用dX/dF值小的晶體的振蕩器更容易受到頻率變化的影響,因為只需要電路電抗的微小變化即可產(chǎn)生頻率偏移.對于10MHzSC諧振器,與5MHz諧振器的dX/dF為130W/Hz相比,該值約為18W/Hz.這意味著5MHz振蕩器比10MHz振蕩器受外部影響的頻率變化的影響小10倍18=7.2.

例如,考慮在貼片進口振蕩器的調(diào)諧電路中使用一個15mH的電感器,該電感器在振蕩器的整個使用壽命內(nèi)變化1％.該電感器在10MHz時的電抗變化為:

dX=15e-6×0.01×2×p×10e6=9.425WdF=9.425×18=0.524Hz

類似地,對于具有30mH(用于產(chǎn)生與上述相同的電抗變化的非標(biāo)準值)的5MHz振蕩器,其變化為1％是7.

dX=30e-6×0.01×2×p×5e6=9.425WdF=9.425×130=0.073Hz

由于溫度,濕度,元件老化等導(dǎo)致振蕩器電路電抗的任何變化,與工作在較高頻率(dX/dF/d)的振蕩器相比,運行在較低頻率(dX/dF)的振蕩器的頻率變化較小.dF).

還必須注意,按照上面概述的相同原理,5MHz振蕩器的可用調(diào)諧范圍將比10MHz振蕩器小得多.但是,如果僅將調(diào)諧范圍用于調(diào)節(jié)振蕩器,則不必擔(dān)心,因為可用的調(diào)諧范圍將與振蕩器壽命內(nèi)預(yù)期的頻移大致成正比,這可以從5MHz的更好性能中看出.與10MHz振蕩器相比,它在熱穩(wěn)定性,老化,相位噪聲,電源電壓靈敏度等方面具有優(yōu)勢.

穩(wěn)定性預(yù)算

穩(wěn)定性預(yù)算是確定系統(tǒng)壽命期間振蕩器總體穩(wěn)定性要求的有用工具.

表2:穩(wěn)定性預(yù)算

結(jié)合使用穩(wěn)定性預(yù)算以及對晶體頻率的基本了解以及由此產(chǎn)生的振蕩器性能折衷,有助于選擇適合應(yīng)用的類型振蕩器.表2顯示了使用5MHzSC版本的260系列振蕩器在20年的使用壽命內(nèi)提供此類預(yù)算的示例.

未來發(fā)展

260系列振蕩器的未來改進可能包括通過DDS提供調(diào)諧的產(chǎn)品版本.這具有消除由于調(diào)諧電路引起的溫度和老化影響的好處.另外,目前正在進行一項充分了解濕度,壓力,振蕩器內(nèi)部氣體的熱系數(shù)以及熱滯后效應(yīng)的研究.

結(jié)論

從提供的性能數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論,260系列確實是替代a的可行選擇,其中低成本,出眾的熱穩(wěn)定性和相位噪聲是系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)的關(guān)鍵.系統(tǒng)設(shè)計者需要考慮恒溫晶體振蕩器的熱環(huán)境以及電源和地線電阻的后果.還必須仔細檢查振蕩器頻率以獲得最佳性能.較低的頻率會導(dǎo)致更好的穩(wěn)定性,因為石英是”stiffer”或具有較大的dX/dF值.

米利倫OCXO晶振可最大程度替代銣振蕩器的有哪些方面