關(guān)于TCXO Oscillator的4種補(bǔ)償方法
來源：http://www.hhamai.cn 作者：金洛鑫電子 2019年01月25
具有溫度補(bǔ)償功能的TCXO Oscillator是目前頻率控制元件市場上，比較常用的一種振蕩器類型了，這幾年隨著中國網(wǎng)絡(luò)和通信科技的崛起，溫補(bǔ)晶振成為智能手機(jī)，無線基站，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的主要電子配件。大部分人只知道溫補(bǔ)晶振擁有兩種溫度補(bǔ)償方式，分別是直接補(bǔ)償和間接補(bǔ)償，但金洛鑫電子今天要跟大家說的是，其實(shí)TCXO是有四種補(bǔ)償?shù)姆椒ǖ模旅娼o各位例行講解一些TCXO的知識，以及4大溫度補(bǔ)償?shù)墓ぷ鬟\(yùn)作方式。
TCXO溫補(bǔ)晶振簡介：
當(dāng)需要標(biāo)準(zhǔn)無法達(dá)到的溫度穩(wěn)定性時(shí)，TCXO是必需的XO（晶體振蕩器）或VCXO（壓控晶體振蕩器）。溫度穩(wěn)定性是振蕩器頻率隨溫度變化的程度的量度以兩種方式定義。一種常見的方法是使用“加/減”規(guī)格（例如：±0.28ppm）與工作溫度范圍相對應(yīng)，參考溫度為25°C，溫度范圍通常為-40至85°C或-20°C到70°C）。該規(guī)范告訴我們，如果我們將25°C的頻率設(shè)為標(biāo)稱值，那么設(shè)備頻率偏離或高于標(biāo)稱頻率不超過0.28ppm。這是不同的指定溫度穩(wěn)定性的第二種方法，即使用峰峰值或僅加/減去沒有參考點(diǎn)的值。在第二種情況下，我們不能說我們知道上面或下面有多遠(yuǎn)標(biāo)稱頻率會(huì)發(fā)生變化-只是我們知道總的范圍是多少。通常設(shè)備是使用定義參考點(diǎn)的正負(fù)值指定。
圖1.是一個(gè)插圖的典型的溫度不同的穩(wěn)定性振蕩器類型，從50ppm不等對于標(biāo)準(zhǔn)VCXO高達(dá)0.2ppb性能OCXO。軸反轉(zhuǎn)這樣的情節(jié)朝這個(gè)方向發(fā)展增加溫度穩(wěn)定性。TCXO穩(wěn)定性范圍涵蓋了中間的情節(jié)VCXO晶振之間和OCXO晶振（在某些情況下重疊一些OCXO表現(xiàn)）。
圖1.各種振蕩器類型的溫度穩(wěn)定性范圍
TCXO對工程師很有用，因?yàn)樗鼈兛梢栽?0到40倍之間的任何地方使用溫度穩(wěn)定性比標(biāo)準(zhǔn)VCXO具有相同的功耗和占用面積板。TCXO Oscillator彌合了標(biāo)準(zhǔn)XO或VCXO與OCXO之間的差距，這些差距更大需要更多動(dòng)力才能運(yùn)行。推動(dòng)技術(shù)的目的是降低功耗降低成本，因此TCXO為功耗和成本敏感的應(yīng)用提供了良好的中端解決方案。
TCXO溫度穩(wěn)定性水平（從5ppm到50ppb）通常是必要的，因?yàn)檎袷幤魇窃跊]有外部頻率的系統(tǒng)中，可以在自由運(yùn)行模式下獨(dú)立運(yùn)行參考，或作為合成器的固定頻率參考，TCXO晶振在開環(huán)操作中驅(qū)動(dòng)aDDS（直接數(shù)字合成）以及DDS而非TCXO被“鎖定”到外部參考的位置。
后一種情況（TCXO是開環(huán)，頻率在DDS設(shè)置）正變得越來越普遍，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)他們可以使用DDS解決方案實(shí)現(xiàn)更好的頻率分辨率通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)向TCXO。因?yàn)檗D(zhuǎn)向是在DDS中完成的而不是振蕩器，設(shè)計(jì)師需要能夠?qū)︻l率如何做出某些假設(shè)固定參考值將隨溫度變化，以便他們可以規(guī)劃鎖相的設(shè)計(jì)循環(huán)相應(yīng)。由于靈活性，它們允許TCXO用于大量頻率控制應(yīng)用程序，但一個(gè)重要的領(lǐng)域是小型蜂窩基站（femto，micro和pico）被用作定時(shí)分配芯片的固定頻率源。
TCXO如何運(yùn)作：
在非?；镜男g(shù)語中，TCXO通過采用感應(yīng)溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來運(yùn)行環(huán)境溫度并將晶振拉至其標(biāo)稱值?；菊袷幤麟娐泛洼敵黾壟cVCXO中的預(yù)期相同。圖2是簡化的TCXO功能框圖。
這個(gè)想法是補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)拉網(wǎng)絡(luò)，然后調(diào)整頻率振蕩器。
圖3是發(fā)生了什么的概述-未補(bǔ)償?shù)木w頻率響應(yīng)溫度（紅色）就像一個(gè)三階多項(xiàng)式曲線如果你將石英晶體振蕩器非線性變成因此，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的目的是產(chǎn)生有效的鏡像電壓關(guān)于晶體曲線的溫度軸，以抵消溫度對溫度的影響水晶。補(bǔ)償電壓顯示為藍(lán)色，得到的頻率/溫度曲線以綠色顯示。
圖3.溫度補(bǔ)償
實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法隨著時(shí)間而改變。使用的第一種方法之一是直接補(bǔ)償技術(shù)，其中使用熱敏電阻，電容器和電阻器網(wǎng)絡(luò)來直接控制TCXO CRYSTAL的頻率。溫度的變化會(huì)導(dǎo)致熱敏電阻（圖4中的RT1和RT2）變化，這會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的等效串聯(lián)電容發(fā)生變化-這反過來會(huì)改變網(wǎng)絡(luò)晶體上的電容負(fù)載，導(dǎo)致振蕩器頻率的變化。
圖4.直接補(bǔ)償
在隨后的TCXO Oscillator開發(fā)中（圖5中所示的間接補(bǔ)償）熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)（RT1至RT3）和電阻器（R1至R3）用于產(chǎn)生溫度相關(guān)的電壓。輸出電壓網(wǎng)絡(luò)被過濾，然后用于驅(qū)動(dòng)變?nèi)荻O管，變換晶體上的負(fù)載，再次產(chǎn)生在頻率變化。
圖5間接補(bǔ)償
當(dāng)前的方法將補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和拉網(wǎng)絡(luò)集成到集成電路中（如圖6所示），補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的作用由一組總和的運(yùn)算放大器起作用一起產(chǎn)生溫度的3階或5階函數(shù)。與間接補(bǔ)償方法一樣該電壓用于驅(qū)動(dòng)變?nèi)荻O管，進(jìn)而改變Oscillator的輸出頻率。由于晶體特性的變化意味著沒有“一刀切”的功能，因此在此期間得出了解決方案TCXO的溫度測試。兩個(gè)電容器陣列用于在室溫下調(diào)節(jié)頻率到標(biāo)稱值，然后在期間獲得溫度補(bǔ)償功能所需的設(shè)置測試并存儲(chǔ)在片上存儲(chǔ)器中。
圖6綜合補(bǔ)償
最后一種方法通常被稱為“數(shù)字控制模擬補(bǔ)償”，并且常見因?yàn)榭梢栽赼中提供的功能量，所以在小型TCXO設(shè)計(jì)中單ASIC。
溫補(bǔ)振蕩器產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)和測試量產(chǎn)，主要都集中在國外，大多數(shù)都是日本，美國，英國，德國，新西蘭，瑞士等地方的廠家，每年我國進(jìn)口的TCXO Oscillator數(shù)量約5000萬顆以上。
當(dāng)需要標(biāo)準(zhǔn)無法達(dá)到的溫度穩(wěn)定性時(shí)，TCXO是必需的XO（晶體振蕩器）或VCXO（壓控晶體振蕩器）。溫度穩(wěn)定性是振蕩器頻率隨溫度變化的程度的量度以兩種方式定義。一種常見的方法是使用“加/減”規(guī)格（例如：±0.28ppm）與工作溫度范圍相對應(yīng)，參考溫度為25°C，溫度范圍通常為-40至85°C或-20°C到70°C）。該規(guī)范告訴我們，如果我們將25°C的頻率設(shè)為標(biāo)稱值，那么設(shè)備頻率偏離或高于標(biāo)稱頻率不超過0.28ppm。這是不同的指定溫度穩(wěn)定性的第二種方法，即使用峰峰值或僅加/減去沒有參考點(diǎn)的值。在第二種情況下，我們不能說我們知道上面或下面有多遠(yuǎn)標(biāo)稱頻率會(huì)發(fā)生變化-只是我們知道總的范圍是多少。通常設(shè)備是使用定義參考點(diǎn)的正負(fù)值指定。
圖1.是一個(gè)插圖的典型的溫度不同的穩(wěn)定性振蕩器類型，從50ppm不等對于標(biāo)準(zhǔn)VCXO高達(dá)0.2ppb性能OCXO。軸反轉(zhuǎn)這樣的情節(jié)朝這個(gè)方向發(fā)展增加溫度穩(wěn)定性。TCXO穩(wěn)定性范圍涵蓋了中間的情節(jié)VCXO晶振之間和OCXO晶振（在某些情況下重疊一些OCXO表現(xiàn)）。
TCXO對工程師很有用，因?yàn)樗鼈兛梢栽?0到40倍之間的任何地方使用溫度穩(wěn)定性比標(biāo)準(zhǔn)VCXO具有相同的功耗和占用面積板。TCXO Oscillator彌合了標(biāo)準(zhǔn)XO或VCXO與OCXO之間的差距，這些差距更大需要更多動(dòng)力才能運(yùn)行。推動(dòng)技術(shù)的目的是降低功耗降低成本，因此TCXO為功耗和成本敏感的應(yīng)用提供了良好的中端解決方案。
TCXO溫度穩(wěn)定性水平（從5ppm到50ppb）通常是必要的，因?yàn)檎袷幤魇窃跊]有外部頻率的系統(tǒng)中，可以在自由運(yùn)行模式下獨(dú)立運(yùn)行參考，或作為合成器的固定頻率參考，TCXO晶振在開環(huán)操作中驅(qū)動(dòng)aDDS（直接數(shù)字合成）以及DDS而非TCXO被“鎖定”到外部參考的位置。
后一種情況（TCXO是開環(huán)，頻率在DDS設(shè)置）正變得越來越普遍，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)他們可以使用DDS解決方案實(shí)現(xiàn)更好的頻率分辨率通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)向TCXO。因?yàn)檗D(zhuǎn)向是在DDS中完成的而不是振蕩器，設(shè)計(jì)師需要能夠?qū)︻l率如何做出某些假設(shè)固定參考值將隨溫度變化，以便他們可以規(guī)劃鎖相的設(shè)計(jì)循環(huán)相應(yīng)。由于靈活性，它們允許TCXO用于大量頻率控制應(yīng)用程序，但一個(gè)重要的領(lǐng)域是小型蜂窩基站（femto，micro和pico）被用作定時(shí)分配芯片的固定頻率源。
TCXO如何運(yùn)作：
在非?；镜男g(shù)語中，TCXO通過采用感應(yīng)溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來運(yùn)行環(huán)境溫度并將晶振拉至其標(biāo)稱值?；菊袷幤麟娐泛洼敵黾壟cVCXO中的預(yù)期相同。圖2是簡化的TCXO功能框圖。
圖3是發(fā)生了什么的概述-未補(bǔ)償?shù)木w頻率響應(yīng)溫度（紅色）就像一個(gè)三階多項(xiàng)式曲線如果你將石英晶體振蕩器非線性變成因此，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的目的是產(chǎn)生有效的鏡像電壓關(guān)于晶體曲線的溫度軸，以抵消溫度對溫度的影響水晶。補(bǔ)償電壓顯示為藍(lán)色，得到的頻率/溫度曲線以綠色顯示。
實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法隨著時(shí)間而改變。使用的第一種方法之一是直接補(bǔ)償技術(shù)，其中使用熱敏電阻，電容器和電阻器網(wǎng)絡(luò)來直接控制TCXO CRYSTAL的頻率。溫度的變化會(huì)導(dǎo)致熱敏電阻（圖4中的RT1和RT2）變化，這會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的等效串聯(lián)電容發(fā)生變化-這反過來會(huì)改變網(wǎng)絡(luò)晶體上的電容負(fù)載，導(dǎo)致振蕩器頻率的變化。
在隨后的TCXO Oscillator開發(fā)中（圖5中所示的間接補(bǔ)償）熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)（RT1至RT3）和電阻器（R1至R3）用于產(chǎn)生溫度相關(guān)的電壓。輸出電壓網(wǎng)絡(luò)被過濾，然后用于驅(qū)動(dòng)變?nèi)荻O管，變換晶體上的負(fù)載，再次產(chǎn)生在頻率變化。
當(dāng)前的方法將補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和拉網(wǎng)絡(luò)集成到集成電路中（如圖6所示），補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的作用由一組總和的運(yùn)算放大器起作用一起產(chǎn)生溫度的3階或5階函數(shù)。與間接補(bǔ)償方法一樣該電壓用于驅(qū)動(dòng)變?nèi)荻O管，進(jìn)而改變Oscillator的輸出頻率。由于晶體特性的變化意味著沒有“一刀切”的功能，因此在此期間得出了解決方案TCXO的溫度測試。兩個(gè)電容器陣列用于在室溫下調(diào)節(jié)頻率到標(biāo)稱值，然后在期間獲得溫度補(bǔ)償功能所需的設(shè)置測試并存儲(chǔ)在片上存儲(chǔ)器中。
最后一種方法通常被稱為“數(shù)字控制模擬補(bǔ)償”，并且常見因?yàn)榭梢栽赼中提供的功能量，所以在小型TCXO設(shè)計(jì)中單ASIC。
溫補(bǔ)振蕩器產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)和測試量產(chǎn)，主要都集中在國外，大多數(shù)都是日本，美國，英國，德國，新西蘭，瑞士等地方的廠家，每年我國進(jìn)口的TCXO Oscillator數(shù)量約5000萬顆以上。
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