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Bliley深度剖析OCXO晶振

来源:http://www.dgkjly.com 作者:帝国科技 2024年01月03

当涉及到基于石英的频率控制设备时,OCXO有源晶振接近食物链的顶端,只有DOCXO可以取代。
烤箱控制晶体振荡器(OCXO)基础知识
OCXO是一种温度控制装置,可以保持石英晶体的恒定工作温度。这可以防止由于环境温度的变化而导致指定频率的变化。
晶体烘箱的输出频率取决于石英晶体的温度。从下图中可以看出,温度对振荡器的频率有很大的影响。
 
在大多数应用中,可以使用更简单的温补晶振(TCXO)来减少环境温度变化的负面影响。但是在某些环境中,txo不能满足应用程序的稳定性要求。在这些情况下,射频工程师可以利用OCXO提高的稳定性。
这种改进的稳定性是通过保持一个接近恒定的晶体温度来实现的,而不管振荡器所经历的环境温度。在OCXO内部,除了振荡器电路外,还有一个加热电路。这种加热电路可以以许多不同的方式配置,但最常见的是比例控制烤箱,使用加热元件加热晶体和热敏电阻来感知晶体的温度。
这些元件是桥接网络的一部分,作为闭环反馈网络,以保持晶体的温度恒定。下图显示了一个常见的OCXO烤箱控制电路的框图。
 
温度控制:确定OCXO的转折点
将晶体保持在恒定温度下可以最大限度地减少环境温度变化的影响,并大大提高振荡器的频率稳定性。但我们如何确定烤箱的正确设定点呢?
为了做到这一点,我们需要再次研究晶体的频率和温度之间的关系。在下面的图表中,你可以看到曲线上有一个最佳点,在这个点上,温度的相同变化将导致频率的最小变化。这被称为晶体的转折点。
 
晶体工程师可以设计转折点,并由许多因素决定,包括晶体坯从大块石英材料上切割的角度等简单的因素。话虽如此,每个晶体的表现都略有不同,并且需要为每个生产的设备精心调整烤箱的设定点。
在设计晶体的转折点时,必须考虑一个常见的设计权衡。理想的设计目标是将晶体的转折点设置在OCXO的最高工作温度之上。虽然烤箱可以被设计成将晶体加热到设定的温度,但如果周围环境温度过高,晶体就会加热到超过设定的温度。
将拐点推高的缺点是频率与温度的曲线会变得更加尖锐。这缩小了烤箱的操作窗口,使烤箱的精度至关重要。提高转折点的另一个主要缺点是它降低了晶体的老化性能。
 
更好的晶体,更好的振荡器:AT-Cut与SC-Cut技术支持
振荡器设计者必须提高OCXO性能的另一个选择是改变振荡器内部的晶体类型。
入门级ocxo通常使用at切割晶体构建。这些晶体提供了良好的整体性能,适用于许多应用,但由于需要将转折点推高,at切割晶体会失去动力。
在这一点上,SC-cut晶体可以在OCXO内部使用,以推动更高的转折点,而不牺牲频率稳定性。AT和SC切割的频率与温度曲线如下图所示。你可以看到SC的频率响应在烤箱的工作温度上更加均匀,这提高了稳定性。
除了提高频率稳定性外,SC切割晶体还提供其他好处。这些好处包括:
改进的频率稳定性:从上图可以看出,SC切割的响应在更宽的温度范围内比AT切割要平坦得多。这转化为温度上更紧密的频率稳定性。
更高的工作温度:SC切割晶体的转折点高于AT切割晶体,这使得它们非常适合烤箱应用。这个较高的转折点的缺点是在较低的温度下急剧下降。由于这一特性,SC-cut晶体只适用于烤箱振荡器,而不适用于其他振荡器配置(TCXOs, VCXOs等)。
改善时效:SC-cut晶体(代表“应力补偿”)提供了更好的时效性能,比切割晶体好2到3倍。
预热时间:SC-cut OCXO将比at -cut OCXO更快地适应最终频率。
相位噪声:SC-cut晶体比AT-cut晶体提供更好的Q(质量)因子。因此,OCXO的近载波相位噪声得到了改善。
g灵敏度:SC-cut晶体的应力补偿也降低了振荡器的g灵敏度。石英是一种机电设备,如果你在晶体上施加电压,它就会振荡。缺点是,如果你在晶体上施加振动,它会产生电压。这个电压表现为加速或振动引起的相位噪声。

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