多年來(lái)因?yàn)槌叽绶庋b上難以突破，OCXO晶振的發(fā)展一直處于瓶頸當(dāng)中，盡量OCXO的穩(wěn)定性，可輸出LVDS，LV-PECL等差分信號(hào)，但始終沒(méi)有被生產(chǎn)廠家們廣泛的使用。因此不少?lài)?guó)內(nèi)和國(guó)外的晶體制造商，都在加緊研發(fā)小型化恒溫晶體振蕩器，其中烤箱式的OCXO是比較受關(guān)注的，TXC晶振公司是臺(tái)灣知名的頻率元件制造商，小型OCXO晶振設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)目前是TXC晶振公司的重要項(xiàng)目。TXC公司現(xiàn)在成功研發(fā)的兩款小體積烤箱式恒溫晶振分別是OE晶振和OG晶振。

本文報(bào)道了基于模擬振蕩電路結(jié)合使用熱敏電阻和相關(guān)分立電器的傳統(tǒng)溫度傳感電路，開(kāi)發(fā)了尺寸為9.7mmx7.5mm的高穩(wěn)定性小型化烤箱控制晶體振蕩器（OCXO）組件。實(shí)施有限元法（FEM）以優(yōu)化爐結(jié)構(gòu)的爐子穩(wěn)定性。因此，在-40至85°C的環(huán)境溫度范圍內(nèi)，低于±1°C的高度穩(wěn)定的烤箱性能進(jìn)行了數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)證明。因此，該結(jié)果意味著使用AT切割晶體，小型化OCXO的頻率穩(wěn)定性可以達(dá)到小于±20ppb。

在過(guò)去幾年中，小型蜂窩解決方案通過(guò)部署為獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)或與傳統(tǒng)宏蜂窩集成，展示了其實(shí)現(xiàn)更高無(wú)線電密度和容量的能力。此外，通過(guò)使用包括室內(nèi)和室外應(yīng)用的小型蜂窩技術(shù)，將大大擴(kuò)展下一代4G-LTE電信的覆蓋范圍。然而，對(duì)于小型電池應(yīng)用，由于使用具有成本有效解決方案的單個(gè)小型封裝的特殊要求，物理尺寸是影響小型電池設(shè)計(jì)選擇頻率控制部件的關(guān)鍵因素。因此，開(kāi)發(fā)小型化的Oven Controlled Crystal Reprinted Oscillator（OCXO）以滿足嚴(yán)格的系統(tǒng)要求，已經(jīng)引起了很多關(guān)注。2012年，TXC晶振公司使用AT切割晶體作為溫度傳感器，開(kāi)發(fā)了數(shù)字信號(hào)處理-橢圓OCXO振蕩器（DSP-OCXO）的開(kāi)發(fā)，顯示頻率可以達(dá)到±20。

圖1.9.7mmx7.5mm小型化OCXO的照片

圖2.小型化OCXO的功能框圖,熱敏電阻用作溫度傳感器

ppb在-40到85°C的環(huán)境溫度范圍內(nèi)[1]。然而，這種數(shù)字烤箱控制電路仍然受到溫度穩(wěn)定性的小波動(dòng)的影響[2]。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們提出了一種尺寸為9.7mmx7.5mm的高穩(wěn)定性小型化OCXO，它基于模擬振蕩電路與傳統(tǒng)的使用熱敏電阻的溫度傳感電路相結(jié)合，如圖中OCXO晶振的真實(shí)外觀所示。1.小型化OCXO的功能框圖如圖2所示。使用熱敏電阻作為溫度傳感器的傳統(tǒng)溫度傳感電路用于溫度控制電路。為了優(yōu)化烤箱結(jié)構(gòu)，采用了有限元法（FEM）的熱分析模擬[3]。因此，從-40℃到85℃的低于±1℃變化的高度穩(wěn)定的烘箱性能在數(shù)值上和實(shí)驗(yàn)上都得到證實(shí)。

傳熱模型：

OCXO恒溫晶振能夠在很寬的工作溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)極高的頻率穩(wěn)定性[4]。這可以通過(guò)將晶體放置在具有恒溫控制的加熱器元件的隔熱爐結(jié)構(gòu)中來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)OCXO的烤箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，進(jìn)行了時(shí)間依賴(lài)過(guò)程的樹(shù)維模擬。在模擬中，OCXO中傳熱模擬的控制機(jī)制只考慮了傳導(dǎo)效應(yīng)。因此，一般熱傳導(dǎo)方程可以從熱力學(xué)第一定律推導(dǎo)出來(lái)，如下所示：

圖3.恒溫控制加熱器的熱源定義為時(shí)間的函數(shù)，包括預(yù)熱和穩(wěn)定步驟

其中[kg/]表示密度，[J/（kgK）]表示熱量恒定壓力下的容量。傅里葉傳導(dǎo)定律給出：

其中k[W/（mK）]是導(dǎo)熱系數(shù)。應(yīng)該注意的是，通過(guò)在空氣的數(shù)值域中將速度設(shè)定為零來(lái)忽略對(duì)流效應(yīng)。恒溫控制加熱器的熱源被定義為時(shí)間的函數(shù)，如圖3所示。熱源溫度為25°C，加熱過(guò)程包括加熱速率為2.5°C/s的預(yù)熱步驟和保持溫度為97.5°C的穩(wěn)定步驟。采用對(duì)流熱通量邊界條件來(lái)表示不銹鋼cver的外墻，向環(huán)境空氣呼出：

其中n表示壁的法線，是傳熱系數(shù)，表示環(huán)境空氣的溫度。在本文中，工作溫度范圍為-40至85°C。PCB中的coppr跡線（大約幾微米）的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他組件。

圖4.使用雙加熱器結(jié)構(gòu)的OCXO的示意圖

（大約幾毫米）的設(shè)備。結(jié)果，由于需要更精細(xì)的網(wǎng)格，這種多尺度問(wèn)題可能導(dǎo)致更長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。為此，通過(guò)將銅跡線設(shè)置為邊界，在數(shù)值模型中實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電層。應(yīng)該提到的是，該假設(shè)仍滿足（1）中的傳熱配方。數(shù)值模擬中使用的材料和物理特性如表1所示，包括環(huán)境空氣，印刷電路板（PCB），晶振和加熱器封裝的陶瓷，PCB中嵌入的走線的銅，以及不銹鋼。封面。

加工結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：

為了優(yōu)化爐化結(jié)構(gòu)，基于有限元模擬的熱分析用于研究爐的穩(wěn)定性。首先，我們優(yōu)化熱敏電阻的物理位置，并顯示熱敏電阻和加熱器之間相對(duì)位置對(duì)烤箱控制電路的影響。其次，提出了一種雙加熱器結(jié)構(gòu)來(lái)提高烤箱的穩(wěn)定性。擬議的OCXO的圖示如圖4所示，包括兩個(gè)加熱器（加熱器1和加熱器2），三個(gè)PCB層，一個(gè)熱敏電阻和一個(gè)TCXO。無(wú)源元件，如芯片電阻和電容被忽略了。

圖5.分析熱敏電阻的物理位置以優(yōu)化烤箱結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明，在-40至85℃的環(huán)境溫度下，熱敏電阻的溫度變化小于0.3°C。插圖分別表示在優(yōu)化之前和之后環(huán)境溫度為-40℃時(shí)的溫度分布。

圖6.（a）擬議的OCXO的熱分布

當(dāng)環(huán)境溫度為85°C時(shí)，會(huì)出現(xiàn)模擬結(jié)果?？衫眉訜崞鹘Y(jié)構(gòu)來(lái)改善爐的穩(wěn)定性。（b）單加熱器和雙加熱器結(jié)構(gòu)之間的晶體溫度的變化。（c）使用雙加熱器結(jié)構(gòu)的溫度增量（T）與單加熱器結(jié)構(gòu)相比較。

圖7.通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)獲得的在-40至85℃范圍內(nèi)的環(huán)境溫度下25℃的晶體的溫度穩(wěn)定性。

這里模擬。當(dāng)熱敏電阻用作溫度傳感器時(shí)，精確的溫度檢測(cè)對(duì)于烤箱控制電路的反饋回路至關(guān)重要。例如，當(dāng)熱敏電阻沒(méi)有完全接觸加熱器時(shí)，如圖5中的插圖所示，當(dāng)加熱器的熱源設(shè)定在97.5°C而環(huán)境溫度為-40°時(shí)，熱敏電阻的溫度僅為85°CC。結(jié)果，在-40至85℃的環(huán)境溫度下獲得了超過(guò)8℃的熱敏電阻變化（圖5中的實(shí)線所示）。這種大的變化表明，由于熱敏電阻的溫度遠(yuǎn)低于從烤箱控制電路的反饋回路設(shè)定的參考溫度，因此晶體的過(guò)熱可能會(huì)出現(xiàn)低環(huán)境溫度條件。換句話說(shuō)，這個(gè)結(jié)果意味著應(yīng)仔細(xì)研究石英晶振和溫度傳感器之間的物理距離，以確定最合適的位置。為此，我們參數(shù)化地分析了熱敏電阻的物理位置。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱敏電阻與加熱器1完全接觸時(shí)，如圖4（虛線）所示，可以實(shí)現(xiàn)溫度變化小于0.3°C的溫度變化。接下來(lái)，附加加熱器（加熱器2）的效果研究了烤箱結(jié)構(gòu)的熱效率?？梢钥闯?，當(dāng)加熱器2被移除時(shí)，從加熱器1到PCB1的巨大熱量損失可以被發(fā)現(xiàn)，如通過(guò)圖6（a）中的模擬獲得的熱分布所示。

如圖所示。在圖6（b）中，給出了一個(gè)加熱器和雙加熱器結(jié)構(gòu)之間的晶體溫度的比較。當(dāng)加熱器2提供額外的熱源時(shí)，加熱器中的熱分布更均勻，其中加熱器1和加熱器2的穩(wěn)定步驟中的溫度設(shè)定為97.5℃，而環(huán)境溫度為85℃。為了量化使用雙加熱器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，研究了通過(guò)改變加熱器2的溫度同時(shí)保持加熱器1在97.5℃的參數(shù)分析。圖6（c）中的結(jié)果顯示了與單加熱器結(jié)構(gòu)相比使用雙加熱器結(jié)構(gòu)的溫度增量（ΔT），當(dāng)加熱器2設(shè)定在97.5℃時(shí)，其中超過(guò)1.6℃得到改善。因此，考慮到雙加熱器結(jié)構(gòu)，如圖7中的模擬結(jié)果所示，成功地實(shí)現(xiàn)了小于±0.1℃的晶體的爐內(nèi)穩(wěn)定性，而外部環(huán)境溫度在-40℃至85℃之間。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

通過(guò)分析與加熱器相關(guān)的熱敏電阻的物理位置對(duì)烘箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，并考慮設(shè)備中使用的雙加熱器概念，下一步是實(shí)現(xiàn)小型化OCXO晶振。如圖7所示，獲得了通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的小于±1℃的烘箱穩(wěn)定性。應(yīng)該注意的是，使用ACcut坯料作為溫度傳感器測(cè)量晶體的溫度，其在頻率和溫度之間具有很大的線性。因此，這反映出使用AT切割晶體可以使頻率穩(wěn)定性達(dá)到±20ppb以下。圖8示出了當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí)相應(yīng)的輸出電流，其中預(yù)熱步驟和穩(wěn)定步進(jìn)的電流分別為320mA和150mA。此外，紅外熱量捕獲的相應(yīng)熱圖像。

         圖8.環(huán)境溫度為25°C時(shí)的輸出電流，其中預(yù)熱步驟和穩(wěn)定步進(jìn)電流分別為320mA和150mA。成像設(shè)備如圖9所示。觀察到溫度加熱器2的溫度約為95°C。

在本文中，我們開(kāi)發(fā)了一種尺寸為9.7mmx7.5mm的高穩(wěn)定性小型化OCXO貼片晶振。根據(jù)FEM模擬的熱分析用于優(yōu)化結(jié)構(gòu)化結(jié)構(gòu)。已經(jīng)表明，所提出的雙加熱器結(jié)構(gòu)可以提高烤箱的穩(wěn)定性。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示高度穩(wěn)定的烤箱性能在-40至85°C之間小于±1°C的變化，表明如果使用AT切割晶體，可以實(shí)現(xiàn)小于±20ppb的高頻穩(wěn)定性。

圖9.紅外熱成像設(shè)備捕獲的熱分布，加熱器2的溫度約為95°C

按照目前的市場(chǎng)需求和動(dòng)向來(lái)看，誰(shuí)先掌握OCXO晶振小型化，低成本的量產(chǎn)方案和技術(shù)，無(wú)疑就是掌握了巨大的商機(jī)。TXC Crystal公司生產(chǎn)的OE和OG的封裝尺寸分別是14.0*9.0mm，9.7*7.5mm等，這在業(yè)界里已經(jīng)算是很小的了，但依然沒(méi)能達(dá)到用戶的需求，因?yàn)槠渌?lèi)型的振蕩器，如XO，TCXO，VCXO壓控晶振這些分類(lèi)最小的尺寸都已達(dá)到1.6*1.2mm了，與之相比不能不說(shuō)差距仍然很大。