近10年來市面上對TCXO晶振的使用量在不斷的增加,目前TCXO最小的體積可達到1.6*1.2mm,部分料號已計劃上市,大概明年會迎來新的浪潮.為了更合理的利用溫補晶振,一些工程師會特意的了解和學習相關(guān)的資料,因為TCXO晶振和普通的晶體或振蕩器都有一定的區(qū)別,雖然操作原理差不多,但在性能和功能方面,會更好更高.
TCXO對工程師非常有用,因為它們可以在比電路板上具有相同功耗和占用空間的標準VCXO更高的溫度穩(wěn)定性的10倍到40倍之間使用.TCXO彌合了標準XO或VCXO與OCXO之間的差距,這些差距更高,需要更多功率才能運行.推動技術(shù)的目標是降低功耗,當然還要降低成本,因此TCXO為功耗和成本敏感的應(yīng)用提供了良好的中檔解決方案.
當需要標準XO(晶體振蕩器)或VCXO(壓控晶體振蕩器)無法達到的溫度穩(wěn)定性時,TCXO石英晶振是必需的.溫度穩(wěn)定性衡量振蕩器頻率隨溫度變化的程度,并在兩種方式.一種常見的方法是使用加/減規(guī)格(例如:±0.28ppm對比工作溫度范圍,參考25°C-溫度范圍通常為-40至85°C或-20至70°C).該規(guī)范告訴我們,如果我們將25°C的頻率設(shè)為標稱頻率,則器件頻率將偏離或低于該標稱頻率不超過0.28ppm.這與指定溫度穩(wěn)定性的第二種方式不同,即使用峰峰值或僅使用沒有參考點的正/負值.在第二種情況下,我們不能說我們知道頻率高于或低于頻率將會變化多遠-只是我們知道總的范圍是多少.通常,使用來自定義的參考點的正負值來指定設(shè)備.
圖1是不同振蕩器類型的典型溫度穩(wěn)定性的示意圖,范圍從標準VCXO晶振的50ppm到高性能OCXO的0.2ppb.軸反轉(zhuǎn)使得曲線在增加溫度穩(wěn)定性的方向上增長.TCXO穩(wěn)定性范圍涵蓋VCXO與OCXO之間的中間位置(在某些情況下,與某些OCXO性能重疊).

圖1.各種振蕩器類型的溫度穩(wěn)定性范圍

溫度穩(wěn)定性的TCXO水平(從5ppm到50ppb)通常是必要的,因為振蕩器將保持獨立工作,或者在沒有外部頻率基準的系統(tǒng)中以自由運行模式工作,或者作為合成器的固定頻率基準,TCXO開環(huán)工作以驅(qū)動DDS(直接數(shù)字合成),其中DDS而不是TCXO被“鎖定”到外部基準.
后一種情況(TCXO是開環(huán),頻率設(shè)置在DDS)變得越來越普遍,因為設(shè)計人員發(fā)現(xiàn),與使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器控制TCXO相比,使用DDS解決方案可以獲得更好的頻率分辨率.因為轉(zhuǎn)向是在DDS中而不是振蕩器中進行的,所以設(shè)計人員需要能夠?qū)潭ɑ鶞孰妷涸吹念l率如何隨溫度變化做出某些假設(shè),以便能夠相應(yīng)地規(guī)劃鎖相環(huán)的設(shè)計.由于靈活性,它們允許低電壓TCXO晶振在許多頻率控制應(yīng)用中使用,但一個重要的領(lǐng)域是小小區(qū)基站(毫微微、微和微微),它們經(jīng)常被用作定時分配芯片的固定頻率源.
在非常基本的術(shù)語中,TCXO通過采用溫度補償網(wǎng)絡(luò)進行操作,該網(wǎng)絡(luò)檢測環(huán)境溫度并將晶體拉至其標稱值.基本振蕩器電路和輸出級與VCXO中的預期相同.圖2是簡化的TCXO功能框圖.

圖2.TCXO功能塊

這個想法是補償網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動牽引網(wǎng)絡(luò),然后調(diào)整石英晶體振蕩器的頻率.圖3是發(fā)生了什么的概述-未補償?shù)木w頻率響應(yīng)溫度(紅色)就像一個三階多項式曲線(如果你使振蕩器非線性生效,更像是第五個),所以目標是補償網(wǎng)絡(luò)是產(chǎn)生一個電壓,它有效地是關(guān)于晶體曲線的溫度軸的鏡像,以抵消溫度對晶體的影響.補償電壓以藍色顯示,得到的頻率/溫度曲線以綠色繪制.

圖3.溫度補償

實現(xiàn)這一目標的方法隨著時間而改變.使用的第一種方法之一是直接補償技術(shù),其中使用熱敏電阻,電容器和電阻器的網(wǎng)絡(luò)來直接控制振蕩器的頻率.溫度的變化導致熱敏電阻(圖4中的RT1和RT2)變得不穩(wěn)定,這會導致網(wǎng)絡(luò)的等效串聯(lián)電容發(fā)生變化-這反過來會改變晶體上的電容負載,從而導致振蕩器的頻率發(fā)生變化.

圖4.直接補償

在隨后的開發(fā)中(圖5中所示的間接補償),熱敏電阻(RT1至RT3)和電阻(R1至R3)的網(wǎng)絡(luò)用于產(chǎn)生與溫度相關(guān)的電壓.對網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓進行濾波,然后用于驅(qū)動變?nèi)荻O管,該變?nèi)荻O管改變晶振上的負載,再次導致頻率變化.

圖5間接補償

目前的方法將補償網(wǎng)絡(luò)和牽引網(wǎng)絡(luò)集成到一個集成電路中(如圖6所示),補償網(wǎng)絡(luò)的作用由一組運算放大器組成,這些運算放大器在一起產(chǎn)生溫度上的3階或5階函數(shù).與間接補償方法一樣,該電壓用于驅(qū)動變?nèi)荻O管,這反過來又改變了振蕩器的輸出頻率.由于晶體特性的變化意味著沒有一刀切的功能,因此在溫補晶振的溫度測試期間得出了解決方案.兩個電容器陣列用于將室溫下的頻率調(diào)節(jié)到標稱值,然后在測試期間獲得溫度補償功能所需的設(shè)置并存儲在片上存儲器中.

圖6綜合補償

最后一種方法通常被稱為數(shù)字控制模擬補償,并且在小型TCXO晶振設(shè)計中常見,因為可以在單個ASIC中提供大量功能.這個簡短的介紹給了你一個概述TCXO及其實施的各種方式.

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