采用SC切割的OCXO振蕩器優(yōu)缺點(diǎn)及電路特性

如果你要問我哪家OCXO振蕩器做得比較好,那么我會給你推薦美國Vectron International公司生產(chǎn)的,因?yàn)檫@家品牌在國際上也是非常有知名度的,主要研發(fā),生產(chǎn),制造和銷售各種石英晶體和石英晶體振蕩器產(chǎn)品.專業(yè)并專注于頻率控制元器件,因此品質(zhì)和技術(shù)完全不用擔(dān)心,OCXO晶振是Vectron公司近年來大力發(fā)展的產(chǎn)品模塊,不斷開發(fā)出高品質(zhì),高性能,多用性,低功耗,低相位噪聲,低時(shí)鐘抖動(dòng)的OCXO系列.

如果穩(wěn)定性要求過于嚴(yán)格,基本的晶體振蕩器或TCXO晶振無法滿足要求,則晶體和關(guān)鍵電路可以通過烤箱進(jìn)行溫度控制.Vectron恒溫箱晶體振蕩器的框圖類似于Vectron-TCXO的框圖,除了刪除了變?nèi)荻O管和相關(guān)的熱敏電阻補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),而振蕩器由比例控制的恒溫箱來控制.

比例烤箱控制

比例控制是一種電子伺服系統(tǒng),可連續(xù)為烤箱供電.它會改變烤箱的功率,從而不斷補(bǔ)償環(huán)境溫度的變化.在許多Vectron烤箱控制的振蕩器中,熱敏電阻被熱沉到烤箱的金屬外殼上以感應(yīng)溫度.熱敏電阻是電阻橋的一個(gè)分支,如下圖所示. 

電橋的工作方式是,如果由于環(huán)境溫度的變化導(dǎo)致烤箱溫度降低,則熱敏電阻的變化會導(dǎo)致電橋不平衡,從而導(dǎo)致電橋輸出電壓升高.該電壓在高增益差分放大器中被放大.差分放大器的輸出在功率放大器中進(jìn)一步放大,該功率放大器直接驅(qū)動(dòng)到烤箱繞組中.因此,由電橋不平衡引起的小電壓升高會在烤箱繞組上產(chǎn)生大的電壓升高.烤箱功率的增加會產(chǎn)生更多的熱量,以補(bǔ)償最初由熱敏電阻感應(yīng)到的溫度下降.同樣,烤箱溫度升高會導(dǎo)致橋式輸出電壓降低,從而導(dǎo)致烤箱功率降低,補(bǔ)償溫度降低.

在某些Vectron-OCXO中使用的此設(shè)計(jì)的替代方法是,將功率放大器的熱量沉入烤箱殼體作為傳熱機(jī)制,以代替加熱器繞組.概念是相同的,唯一的不同是通過車輛將熱量施加到烤箱的車輛.相對于晶體固有的穩(wěn)定性,采用比例控制的烤箱可以提高振蕩器的溫度穩(wěn)定性5000倍以上(例如,在0-50℃時(shí)從±1x10-5到±1x10-9).但是,烤箱控制系統(tǒng)并不完美,因?yàn)?/span>(a)開環(huán)增益不是無限的;(b)烤箱內(nèi)有內(nèi)部溫度梯度;(c)烤箱外的電路會受到環(huán)境溫度的變化,“拉”頻率.因此,環(huán)境溫度的變化將導(dǎo)致烤箱溫度的微小變化. 

設(shè)定烤箱溫度

如上圖所示,設(shè)定烤箱的實(shí)際溫度對于最大程度地減少環(huán)境溫度變化的影響至關(guān)重要.請參見圖2,如果將烤箱溫度設(shè)置為指定的(1)點(diǎn),并且周圍溫度導(dǎo)致烤箱溫度從A變?yōu)?/span>B,將導(dǎo)致X幅度的頻率變化.但是,如果將烤箱溫度設(shè)置為較高的轉(zhuǎn)換點(diǎn)(2),則相等的溫度變化(C到D)將導(dǎo)致頻率(幅值Y)的變化明顯減少.因此,每個(gè)Vectron烤箱都單獨(dú)設(shè)置為所容納晶體的周轉(zhuǎn)溫度.這可以通過調(diào)節(jié)電位器來完成,如圖1所示,該電位器為電橋的一個(gè)分支.

用AT切割晶體進(jìn)行熱身

最初在室溫下打開振蕩器時(shí),相對于烤箱穩(wěn)定后的輸出頻率,該頻率非常高,通常為30x10-6.這完全是由于以下事實(shí):AT切割晶體的頻率在室溫下要比其較高的周轉(zhuǎn)溫度高得多.隨著烤箱預(yù)熱,晶體頻率迅速降低.在標(biāo)準(zhǔn)Vectron晶振中,烤箱平衡在10-15分鐘之內(nèi),但晶體表現(xiàn)出橡皮筋效應(yīng),并在穩(wěn)定之前按圖3超出其最終頻率.通常,開機(jī)后30分鐘內(nèi)會達(dá)到較高的穩(wěn)定性;在特殊的快速熱身設(shè)計(jì)中,此時(shí)間可以減少到不到5分鐘. 

周轉(zhuǎn)溫度

烤箱的工作溫度(晶體轉(zhuǎn)換溫度)必須比振蕩器要工作的最高環(huán)境溫度高幾度,以便烤箱可以保持良好的控制(考慮振蕩器自身產(chǎn)生的內(nèi)部熱量上升).然而,在高烤箱溫度下操作存在一些缺點(diǎn).首先,隨著周轉(zhuǎn)率越高的晶體,晶體的頻率隨溫度變化特性越清晰,從而導(dǎo)致對烤箱溫度的微小變化更加敏感,如圖4所示. 

其次,更重要的是,晶體老化(如下所述)隨著溫度的升高而降低.因此,在設(shè)計(jì)烤箱控制的晶體振蕩器時(shí),在確定期望的烤箱工作溫度時(shí)面臨著一種折衷.它應(yīng)盡可能地低,但必須足夠高以在最大環(huán)境工作溫度下提供良好的控制.

穩(wěn)定性

A.老化-老化是指晶體振蕩器頻率隨時(shí)間連續(xù)變化,所有其他參數(shù)保持恒定.在交付之前,對每個(gè)Vectron烤箱控制的振蕩器進(jìn)行預(yù)老化,直到達(dá)到指定的老化率.老化率通常與穩(wěn)定性一詞同義.因此,有時(shí)將老化速率為每天10-8的一部分(1x10-8/天)的振蕩器稱為108振蕩器的一部分.這是不正確的術(shù)語,因?yàn)槔匣?/span>(長期穩(wěn)定性)必須參考時(shí)間,并且僅代表振蕩器穩(wěn)定性的一個(gè)方面.

B.溫度穩(wěn)定性-如前所述,因?yàn)闆]有烤箱控制系統(tǒng)是完美的,所以環(huán)境溫度的變化會導(dǎo)致輸出頻率的變化很小.頻率偏移是振蕩器的老化曲線的偏移量.與正常老化特性的偏差與時(shí)間無關(guān),而是固定的偏移量.因此,對于給定的溫度變化,頻率偏移與溫度的關(guān)系(溫度穩(wěn)定性)例如為5x10-9/天,而不是5x10-9/天.該特性如下所示. 

環(huán)境溫度變化不會產(chǎn)生磁滯效應(yīng);也就是說,如果環(huán)境溫度發(fā)生變化,然后又返回到原始溫度,則最終頻率將基本上是沒有環(huán)境溫度變化時(shí)所產(chǎn)生的頻率.當(dāng)所需的溫度穩(wěn)定性超出了使用標(biāo)準(zhǔn)比例控制烤箱所能達(dá)到的溫度穩(wěn)定性時(shí),可以使用雙烤箱系統(tǒng),其中將標(biāo)準(zhǔn)烤箱容納在第二烤箱內(nèi).然后,外部烤箱緩沖環(huán)境溫度變化到內(nèi)部烤箱,內(nèi)部溫度包含振蕩器電路.

C.重新穩(wěn)定化和回掃-當(dāng)關(guān)閉晶體振蕩器一段時(shí)間后再打開時(shí)(如在出廠時(shí)發(fā)生的情況),晶體需要重新穩(wěn)定化周期.該特性與初始工廠時(shí)效特性相似,但是由于晶體已經(jīng)在工廠中進(jìn)行了時(shí)效處理,因此可以更快地實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性.在大多數(shù)應(yīng)用中,烤箱控制的晶體振蕩器會持續(xù)通電.在這種情況下,老化是至關(guān)重要的特性,而關(guān)/開特性幾乎沒有意義.但是,某些應(yīng)用要求經(jīng)常將烤箱控制的晶體振蕩器斷電并重新通電(應(yīng)盡可能避免這種做法).當(dāng)應(yīng)用需要頻繁關(guān)閉時(shí),應(yīng)考慮其他一系列特性. 

在圖6中,假設(shè)振蕩器被通電直到時(shí)間T2,然后關(guān)閉一段時(shí)間,然后在時(shí)間T3再次打開.然后,三個(gè)特征可能很重要:

1.振蕩器在關(guān)閉后(打開后的指定時(shí)間)返回輸出頻率的接近程度.這稱為回掃特征.T4處的回掃誤差=f1-f3.

2.在烤箱穩(wěn)定后的一段時(shí)間內(nèi),頻率會變化多少.這稱為重新穩(wěn)定化或預(yù)熱特性.從T4到T5的重新穩(wěn)定化速率=(f3-f2)/(T5-T4)

3.振蕩器在指定的關(guān)斷時(shí)間后需要多長時(shí)間才能達(dá)到規(guī)定的老化速率(這稱為”重老化”).許多因素都會影響回掃,可再穩(wěn)定化和重老化特性.正確的電路設(shè)計(jì)和元件選擇將其影響最小化,從而留下(1)晶體,(2)振蕩器開啟之前的關(guān)閉周期長度是主要因素.這些特性在晶體之間存在很大的差異,只有在絕對需要時(shí)才應(yīng)指定它們,然后僅在需要時(shí)才指定它們,因?yàn)樵擃I(lǐng)域的”嚴(yán)格”規(guī)范由于產(chǎn)量低而對振蕩器成本產(chǎn)生重大影響.這些特性對石英晶體振蕩器幾乎沒有影響持續(xù)通電.

雙旋轉(zhuǎn)(SC和IT切割)晶體

盡管大多數(shù)高穩(wěn)定性晶體振蕩器使用ATCut晶體,但SC和ITCut晶體通常用于最高穩(wěn)定性模型中.SC切割晶體是雙旋轉(zhuǎn)晶體家族中的一種(石英晶體相對于三個(gè)晶體學(xué)軸中的兩個(gè)以一定角度切割).該系列中的其他產(chǎn)品包括ITCut和FCCut.SCCut代表了最佳的雙旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì),因?yàn)槠涮厥獾慕嵌瓤商峁┳畲蟮膽?yīng)力補(bǔ)償,但ITCut可獲得類似的性能.

以下是兩次旋轉(zhuǎn)(為方便起見簡稱為SC)和ATCut晶體之間的比較.

SC晶體的優(yōu)勢:

1,改善衰老對于給定的頻率和泛音(例如10MHz,第三泛音),SC晶體相對于AT晶體具有2:1到3:1的老化改善.

2.熱身在具有給定烤箱設(shè)計(jì)和開啟功率的烤箱控制振蕩器中,SC晶體比AT晶體用更少的時(shí)間即可達(dá)到其”最終頻率”.

3,相位噪聲對于給定的振蕩器設(shè)計(jì),晶體頻率和泛音,SC晶體可提供更高的Q值和相關(guān)的改善的相位噪聲特性.這種改進(jìn)主要適用于載波附近,因?yàn)楸镜自肼暿怯呻娐吩O(shè)計(jì)而非晶體決定的.

4.高工作環(huán)境溫度.圖7顯示了AT,IT和SC晶體的相對頻率-溫度特性.AT晶體的較高溫度轉(zhuǎn)換點(diǎn)(圖7中的”A”)和SC晶體的較低溫度轉(zhuǎn)換點(diǎn)(圖7中的”B”)在70℃~90℃的溫度范圍內(nèi)最佳.基于(a)最高工作環(huán)境溫度與晶體轉(zhuǎn)換溫度之間的理想10℃差異,以及(b)晶體轉(zhuǎn)換溫度的制造公差,這些石英晶體最適合50℃的最大工作環(huán)境溫度C~+75℃.但是,IT晶體的較高溫度轉(zhuǎn)換點(diǎn)(圖7中的”C”)非常適合高溫操作,因此,IT晶體是最高工作溫度在85℃的高穩(wěn)定性烤箱控制振蕩器的合理選擇.0~+95℃范圍.請注意,雖然SC和IT晶體曲線在高溫下相對平坦,但它們的頻率在低溫下會迅速下降.因此,盡管它們在高穩(wěn)定性HIF恒溫振蕩器控制的振蕩器中發(fā)揮良好的作用,但它們通常不適用于其他類型的穩(wěn)定晶體振蕩器. 

5.方向靈敏度(翻倒).當(dāng)改變振蕩器的物理方向時(shí),由于由重力作用引起的晶體毛坯上的應(yīng)力變化,頻率變化很小(對于任何90度旋轉(zhuǎn),通常不超過10-9中的幾個(gè)部分).水晶支架.傾翻以10-9/g表示,其中1g代表180°方向變化的一半.與AT相比,SC晶體對取向變化的頻率敏感性較低.但是,對于大多數(shù)應(yīng)用而言,AT和SC晶體之間的傾翻差異并不大,該特性通常不是規(guī)格考慮因素.

6,振動(dòng)下的雜散當(dāng)晶體振蕩器受到振動(dòng)時(shí),會產(chǎn)生寄生頻率,該寄生頻率會因振動(dòng)頻率而偏離頻率振蕩.這些雜散輸出的幅度與振動(dòng)幅度,晶體支架的機(jī)械設(shè)計(jì)以及振蕩器的機(jī)械設(shè)計(jì)有關(guān).與AT相比,SC晶體在振動(dòng)下產(chǎn)生的振幅雜散輸出更低.但是,此特性更多地取決于晶體和振蕩器的機(jī)械設(shè)計(jì),而不是取決于晶體切割.

SC晶體的缺點(diǎn):

1,費(fèi)用由于在制造SC晶體時(shí)相對于AT的一個(gè)軸圍繞角度嚴(yán)格控制圍繞兩個(gè)軸旋轉(zhuǎn)的困難,因此SC晶體的成本明顯高于具有相同頻率和泛音的AT的成本.

2.可拉性SC晶體的動(dòng)電容比相同頻率和泛音的AT的動(dòng)電容小幾倍,因此降低了”拉”晶體頻率的能力.這限制了SC晶體不能用在常規(guī)TCXO和VCXO振蕩器中,甚至不能用在烤箱控制的振蕩器中,從而要求能夠顯著偏離振蕩頻率.

綜上所述,雙旋轉(zhuǎn)晶體在晶體振蕩器中的適用性基本上僅限于烤箱控制的應(yīng)用,在這些應(yīng)用中,改進(jìn)的老化,預(yù)熱和近相噪聲特性可證明顯著增加了成本.

采用SC切割的OCXO振蕩器優(yōu)缺點(diǎn)及電路特性