溫補補償振蕩器的原理及特點
來源：http://www.hhamai.cn 作者：金洛鑫電子 2024年01月06
溫度補償晶體振蕩器（TCXO晶振）具有溫度補償電路，可抑制因周圍溫度引起的輸出頻率偏差。也就是說，來自溫度傳感器(如熱敏電阻)的輸出信號用于產(chǎn)生校正電壓，該電壓施加于晶體網(wǎng)絡(luò)中的可變電抗(如變?nèi)莨?。電抗的變化補償了晶體的F vs. T特性。模擬TCXO可以提供大約20倍的改進晶體的F與T的變化。
晶體振蕩器的溫度特性在很大程度上取決于所用晶體單元的溫度特性，通常用AT切割石英毛坯的三次曲線表示。溫度補償電路，必須為每個單元定制，用于調(diào)整石英晶體振蕩器剛好足以抵消未補償?shù)念l率隨溫度變化。TCXO具有優(yōu)異的溫度特性，快速預(yù)熱時間(通常為50至1000 ms)，低功耗(10至150 mW)，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，成本僅為OCXO的一小部分。它非常適合各種通信設(shè)備，如蜂窩電話，雙向無線電，無繩電話，微波通信設(shè)備和衛(wèi)星通信系統(tǒng)，測量儀器和許多其他應(yīng)用。
TCXO補償示例
溫度穩(wěn)定性，使用標準補償技術(shù)，在-40℃至+85℃的溫度范圍內(nèi)，分數(shù)穩(wěn)定性約為±1 ppm。在較窄的溫度范圍內(nèi)可以獲得更好的穩(wěn)定性。除了最簡單的tcxo外，所有tcxo采用的實際技術(shù)都是基于與晶體串聯(lián)使用變?nèi)荻O管，如下所示:
電壓的變化引起變?nèi)荻O管電容的變化，從而引起振蕩頻率的變化。熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)是為晶體量身定制的，以使電壓隨溫度變化，從而補償晶體的頻率與溫度特性。由于每個單獨的TCXO要求其補償網(wǎng)絡(luò)與其單獨的晶體相匹配，因此TCXO的成本與頻率與溫度規(guī)格的難度密切相關(guān)。
頻率-溫度遲滯限制了TCXO的最終穩(wěn)定性。老化是這種遲滯的主要來源，它可以最小化，但不能消除。為了允許老化，使用電壓控制功能(VCTCXO)，大多數(shù)TCXO在小頻率范圍內(nèi)可調(diào)。典型的功能調(diào)諧范圍為±5 ppm。此外，應(yīng)該注意的是，TCXO的頻率與溫度特性不是線性的;因此，從0°C到+50°C的2x10-7總誤差不會產(chǎn)生每°C 2x10-7 ÷ 50 = 4x 10-9的梯度。晶體特性的擾動(活性下降)使得在tcxo中幾乎不可能保證每度基礎(chǔ)上的卓越穩(wěn)定性。
熱滯現(xiàn)象，在多個溫度周期內(nèi)重復(fù)頻率與溫度數(shù)據(jù)是TCXO的一種測量方法。這里是在一個溫度下測量TCXO的頻率。改變溫度，然后恢復(fù)到原來的溫度，再次測量頻率。這兩個頻率不一樣。這兩個頻率之間的差異被稱為“熱致遲滯”。這種現(xiàn)象是存在的，即使單位被允許穩(wěn)定在同一溫度很長一段時間。對于一個好的TCXO，這種熱致遲滯的值通常為±0.1 ppm。
熱瞬態(tài)，當(dāng)溫度變化的速率足夠高，以至于頻率不再符合緩慢溫度變化時產(chǎn)生的正常曲線時，就會發(fā)生熱瞬變。溫度變化的可接受速率約為每分鐘0.5℃。這種效應(yīng)在很大程度上是由于晶體諧振器的瞬態(tài)響應(yīng)，以及諧振器和振蕩器內(nèi)溫度傳感器件之間的分離。在OCXO晶振中，它還取決于溫度控制器中使用的誤差放大器的穩(wěn)定性和增益。典型值小于±0.2 ppm。
熱瞬態(tài)效應(yīng)會影響tcxo的測試和補償精度。當(dāng)溫度改變時，熱瞬態(tài)效應(yīng)會扭曲靜態(tài)F vs. T特性，從而導(dǎo)致所謂的表觀滯后。溫度變化越快，熱瞬態(tài)效應(yīng)對F / T性能的貢獻越大。
老化，在溫度穩(wěn)定性中等的石英晶體振蕩器中，老化通常影響不大。然而，在高溫穩(wěn)定的tcxo中，晶體老化成為振蕩器整體頻率誤差的重要因素。因此，tcxo在真空玻璃或冷焊支架中使用特殊加工的晶體是很常見的。
沖擊，休克被定義為突然的強力打擊。tcxo的典型沖擊數(shù)為100g。
機械調(diào)節(jié)和EFC(電氣頻率控制)，機械修剪允許頻率通過內(nèi)部電位器(鍋)進行調(diào)整。該罐通過密封或不密封的孔進入。EFC(電氣頻率控制)需要一個外部電路來調(diào)節(jié)頻率。外部電路通常由一個鍋或DAC組成。該電路的電源可以通過客戶提供的外部電壓源或制造商提供的內(nèi)部參考電壓施加。
晶體振蕩器的溫度特性在很大程度上取決于所用晶體單元的溫度特性，通常用AT切割石英毛坯的三次曲線表示。溫度補償電路，必須為每個單元定制，用于調(diào)整石英晶體振蕩器剛好足以抵消未補償?shù)念l率隨溫度變化。TCXO具有優(yōu)異的溫度特性，快速預(yù)熱時間(通常為50至1000 ms)，低功耗(10至150 mW)，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，成本僅為OCXO的一小部分。它非常適合各種通信設(shè)備，如蜂窩電話，雙向無線電，無繩電話，微波通信設(shè)備和衛(wèi)星通信系統(tǒng)，測量儀器和許多其他應(yīng)用。
TCXO補償示例
溫度穩(wěn)定性，使用標準補償技術(shù)，在-40℃至+85℃的溫度范圍內(nèi)，分數(shù)穩(wěn)定性約為±1 ppm。在較窄的溫度范圍內(nèi)可以獲得更好的穩(wěn)定性。除了最簡單的tcxo外，所有tcxo采用的實際技術(shù)都是基于與晶體串聯(lián)使用變?nèi)荻O管，如下所示:
電壓的變化引起變?nèi)荻O管電容的變化，從而引起振蕩頻率的變化。熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)是為晶體量身定制的，以使電壓隨溫度變化，從而補償晶體的頻率與溫度特性。由于每個單獨的TCXO要求其補償網(wǎng)絡(luò)與其單獨的晶體相匹配，因此TCXO的成本與頻率與溫度規(guī)格的難度密切相關(guān)。
頻率-溫度遲滯限制了TCXO的最終穩(wěn)定性。老化是這種遲滯的主要來源，它可以最小化，但不能消除。為了允許老化，使用電壓控制功能(VCTCXO)，大多數(shù)TCXO在小頻率范圍內(nèi)可調(diào)。典型的功能調(diào)諧范圍為±5 ppm。此外，應(yīng)該注意的是，TCXO的頻率與溫度特性不是線性的;因此，從0°C到+50°C的2x10-7總誤差不會產(chǎn)生每°C 2x10-7 ÷ 50 = 4x 10-9的梯度。晶體特性的擾動(活性下降)使得在tcxo中幾乎不可能保證每度基礎(chǔ)上的卓越穩(wěn)定性。
熱滯現(xiàn)象，在多個溫度周期內(nèi)重復(fù)頻率與溫度數(shù)據(jù)是TCXO的一種測量方法。這里是在一個溫度下測量TCXO的頻率。改變溫度，然后恢復(fù)到原來的溫度，再次測量頻率。這兩個頻率不一樣。這兩個頻率之間的差異被稱為“熱致遲滯”。這種現(xiàn)象是存在的，即使單位被允許穩(wěn)定在同一溫度很長一段時間。對于一個好的TCXO，這種熱致遲滯的值通常為±0.1 ppm。
熱瞬態(tài)，當(dāng)溫度變化的速率足夠高，以至于頻率不再符合緩慢溫度變化時產(chǎn)生的正常曲線時，就會發(fā)生熱瞬變。溫度變化的可接受速率約為每分鐘0.5℃。這種效應(yīng)在很大程度上是由于晶體諧振器的瞬態(tài)響應(yīng)，以及諧振器和振蕩器內(nèi)溫度傳感器件之間的分離。在OCXO晶振中，它還取決于溫度控制器中使用的誤差放大器的穩(wěn)定性和增益。典型值小于±0.2 ppm。
熱瞬態(tài)效應(yīng)會影響tcxo的測試和補償精度。當(dāng)溫度改變時，熱瞬態(tài)效應(yīng)會扭曲靜態(tài)F vs. T特性，從而導(dǎo)致所謂的表觀滯后。溫度變化越快，熱瞬態(tài)效應(yīng)對F / T性能的貢獻越大。
老化，在溫度穩(wěn)定性中等的石英晶體振蕩器中，老化通常影響不大。然而，在高溫穩(wěn)定的tcxo中，晶體老化成為振蕩器整體頻率誤差的重要因素。因此，tcxo在真空玻璃或冷焊支架中使用特殊加工的晶體是很常見的。
沖擊，休克被定義為突然的強力打擊。tcxo的典型沖擊數(shù)為100g。
機械調(diào)節(jié)和EFC(電氣頻率控制)，機械修剪允許頻率通過內(nèi)部電位器(鍋)進行調(diào)整。該罐通過密封或不密封的孔進入。EFC(電氣頻率控制)需要一個外部電路來調(diào)節(jié)頻率。外部電路通常由一個鍋或DAC組成。該電路的電源可以通過客戶提供的外部電壓源或制造商提供的內(nèi)部參考電壓施加。
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