该篇文章康比电子要介绍的260系列振荡器的未来改进可能包括通过DDS提供调谐的产品版本.这有利于消除调谐电路对温度和老化的影响.此外,目前正在进行一项研究,以充分了解湿度,压力,振荡器内部气体的热系数以及热滞后的影响.
精密石英晶体振荡器在满足从卫星通信系统到电话基站和数字电话网络的各种应用需求方面发挥着至关重要的作用.这些应用对当今可用的频率源提出了严格的要求,不仅是为了性能,也是为了降低成本.
必须实现整体小尺寸的基本设计目标,以便将预热和连续运行期间的功率降至最低.它还将支持低零件数量的目标,从而降低成本,同时带来更适合大规模制造环境的设计.
图1:260系列结构框图
为了实现<2e-10/100℃的必要热稳定性和低相位噪声,260系列设计采用封装在双烘箱中的SC切割石英晶体.图1显示了振荡器的结构框图.石英晶体和维持电路位于内炉内部.然后,内部烤箱组件被第二外部烤箱组件包围.这为石英晶振和振荡器元件提供了一个高度稳定的温控外壳,从而产生出色的热稳定性和低相位噪声,尤其是在载波频率低于1Hz的情况下.
如图1中的框图所示,内部烤箱控制和输出放大器电路也被外部烤箱组件包围.这通过降低温度变化对内部烘箱控制和放大器电路的影响,提供了更好的热稳定性.
比较
过去几年铷振荡器的发展取得了进展——主要是在尺寸减小方面.然而,铷振荡器的性能仍然存在某些固有的缺点.这些缺点的例子包括铷灯的有限寿命,振荡器的总质量,热稳定性,相位噪声和功耗等等.
260系列尺寸为50.8毫米x50.8mm毫米x38.1mm毫米(0.098厘米),重量为150克.这种微型封装在铷振荡器不足的上述领域提供了卓越的性能.例如,在-30℃至+70℃的温度范围内,10兆赫兹(使用5兆赫兹晶体,然后加倍)260系列振荡器的热稳定性为<2e-10,1Hz偏移相位噪声特性为<-100分贝/赫兹,装运时老化速率为<5e-11/天.相比之下,在-10℃至+60℃的温度范围内,相同参数下典型铷钟的性能分别为<2e-10,<-85DBC/Hz(1hz偏移)和<2e-12/天.260系列振荡器的老化速率以<5e-11的速率进行测量和交付,但许多5MHz单元在持续运行1至2个月后,目前的老化速率低至2至5e-12/天.表1提供了260系列振荡器的性能与铷振荡器制造商公布的一些性能结果的比较,该振荡器采用10兆赫兹SC切割石英贴片晶振.
从表1中的数据可以看出,260系列振荡器的性能相当,在某些情况下,超过铷振荡器的性能.这使得260系列成为铷振荡器的可行替代品,特别是在热稳定性提高和成本降低方面.对于无法权衡振荡器老化速率的应用,260系列可与一级频率标准结合使用,如罗兰C,T1信号,全球定位系统等.,以约束振荡器,从而提高长期稳定性能.总的结果可以是一个频率基准,石英的短期稳定性和一级铯标准的长期稳定性相结合.石英振荡器提供滤波功能,允许在很大程度上消除传输介质相对较大的抖动.
测试方法和结果
迄今为止,已经制造了4至20兆赫的各种频率的振荡器.5兆赫和10兆赫的频率构成一个有统计意义的群体.讨论的测试结果是针对这两个频率的振荡器.
在生产过程中,对每个振荡器的以下参数的性能特性进行评估:热稳定性,老化,相位噪声,短期稳定性和电源电压灵敏度.下面是对这些参数的详细讨论.
耐热性
温度通常是石英晶体振荡器几周内不稳定的最大来源.260系列振荡器采用双烘箱配置,大大减弱了大的环境温度变化.热敏维持振荡器电路和石英晶体容纳在内炉中,使得环境温度变化的影响最小化.
例如,如果外烘箱控制电路能够将环境温度变化衰减100倍,然后跟随相似的内烘箱增益,那么内烘箱内的温度变化将理想地衰减10,000倍的环境温度变化.因此,对于100℃的环境温度变化,内部烘箱中的温度
示例仅相差0.01℃.我们可以进行一些粗略计算,以了解振荡器电路和用上述烘箱控制电路稳定的石英晶体的预期热性能.
假设烘箱的温度可以设置在晶体转折点的0.1℃以内,具有86℃转折点的5MHzSC切割晶振的温度系数可以近似为8e-10/℃.元件的温度系数估计为1e-09/℃.因此,对于烘箱温度的0.01℃变化(由于100℃的环境温度变化),振荡器的热稳定性性能可以预期为8e-12+1e-11=1.8e-11
图5MHz振荡器的热稳定性
图10MHz振荡器的热稳定性
振荡器在整个温度范围内的性能特点是以10°C的步长将环境温度从最低指定温度扫描到最高指定温度.然后温度被扫回到如图2和图3的右轴所示的最小值.初始和最终25℃温度点之间测得的频率差
用于通过假设测试时间段内的线性频率漂移来抵消振荡器频率的任何漂移.图2和图3分别显示了5兆赫和10兆赫振荡器的热稳定性.
老化
装运前确定每个振荡器的每日漂移率.这是通过在10到20天的延长时间内给装置通电来实现的.在此期间,大约每隔2小时主动收集每个单元的数据.每次读数平均为10次频率测量,门控时间为1秒.测量的漂移率通过统计拟合一条直线到全部或部分数据集来确定.
图4:5兆赫振荡器的老化特性
5MHz振荡器在408天内的老化结果如图4所示.这个振荡器的老化率是每天4.8e-12.对于图5中的10MHz振荡器,老化速率为3.3e-11/天.这两个数字中显示的测量不是在同一时期进行的.
图10MHz振荡器的老化特性
图4中数据的跳跃是由于长时间断电造成的.有趣的是,在最初的两次电源中断期间,该振荡器的初始回扫是8e-10,然而,在大约60天的连续操作之后,回扫值降低到2e-10.
在图5中,一个无法解释的频率跳跃6e-9发生在第70天.有源晶振振荡器在这种状态下持续以相同的速率老化75天.此时,频率跳回到原来的老化曲线.频率偏移的原因未知.每次跳跃都可能是由电源中断引起的.呈现的老化数据代表了与电源中断和室温,湿度和5℃的正常环境波动有关的真实生活情况.这些单位居住在生产层,因此也经历了大量的人类活动.
相位噪声
图5MHz振荡器的相位噪声结果
图10MHz振荡器的相位噪声结果
相位噪声测量是在HP3048A测试系统上使用两个相似的振荡器进行的.图6和图7分别显示了5兆赫和10兆赫振荡器的典型相位噪声结果.显示的图表没有说明相同的来源,因此,单个单元的实际性能比图表中显示的结果低3dB.
为了提供铷振荡器的替代物,MTI-Milliren晶振技术公司设计并开发了一种超稳定的耐热石英晶体振荡器(260系列).振荡器的开发是为了在不增加成本和固有损耗现象的情况下保持铷振荡器的可比性能参数至关重要的应用,而损耗现象可能会损害系统设计目标.
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