稳定性高和低功率需求的TCXO晶振

多年来,制造商一直寻求提供一种紧凑封装的石英晶体振荡器,提供紧密的稳定性.烤箱控制晶体振荡器(OCXO)提供了极好的稳定性,但是对于便携式应用,特别是对于要求苛刻的军事应用,OCXO封装可能太大,并且可能需要电池提供过多的电能.

Greenray新推出的T75系列TCXOs(温度补偿晶体振荡器)满足了对紧密稳定性,紧凑封装和低功耗的需求.

任何振荡器的核心都是水晶,石英晶振.新T75系列TCXOs采用姐妹公司Statek公司的AT条晶体,与普通圆形毛坯晶体相比,这种晶体具有明显的优势.

AT带晶体非常坚固,能够承受非常高的冲击和振动水平.这种晶体的特殊版本经受住了高达100,000克的冲击,非常适合在智能弹药等恶劣环境中使用.该晶振的典型g灵敏度在最差轴(Z轴)为2.5X10-9/g,在X轴和Y轴小于2X10-10/g.

G-灵敏度可以进一步提高到Z轴上大约3×10-10/g,从而将冲击和振动对稳定性和相位噪声的影响降至最低.这对于依靠在冲击,加速度和振动下的一致性能的便携式和机载应用非常重要.使用较低g敏感性晶体的缺点是老化性能略有下降.

使TCXO晶振更接近OCXO稳定性的限制因素之一是晶体扰动.扰动是在特定温度下发生的孤立事件,通常仅超过几度,导致晶体的频率跳跃高达百万分之几(ppm).

所有晶体本身都有扰动——重要的是它们有多少和有多大.在制造过程中,温度上的扰动是非常可重复的.关于晶体扰动的起源,有许多理论,包括空白应力,清洁度和微粒物质留下

水晶.

Greenray晶振与Statek合作,将AT带扰动显著降低到通常小于1×10-7,以补偿2×10-7的温度稳定性.重要的是每两度测试温度范围内的紧密稳定性TCXOs,以确保扰动不超过规范.

AT条晶体的设计也是为了提高老化性能.TCXOs的长期老化非常好,通常远低于1pm/年,预计10年内将达到3pm或更低.图1显示了一个40HzTCXO长期老化的例子.

图1

为了提高TCXO性能,Greenray使用模拟温度补偿.这比利用数字补偿对短期稳定性和相位噪声的影响更小,数字补偿虽然可以产生非常稳定的单元,但也可以引起频率跳变,在系统级别造成严重破坏,引起锁定问题和噪声问题.

Greenray专有的模拟补偿采用五阶多项式曲线拟合.解释这一点的一个简单方法是,补偿等级越高,温度曲线上可以补偿的点就越多.这一点很重要,因为晶体在温度范围内没有遵循完美的曲线拟合.换句话说,五阶补偿将产生比三阶补偿更稳定的振荡器,因为它可以解释贴片晶振更多的不稳定性.

这使得T75能够在-20°C至+70°C范围内提供0.2pM的稳定性,在-40°C至+85°C范围内提供0.3pM的稳定性,在-55°C至+90°C范围内提供1pM的稳定性.这些稳定性比使用热敏电阻补偿或三阶补偿获得的典型TCXO性能要严格得多.在最紧张的情况下,收益率没有那么高稳定性选项,因此选择更典型的稳定性有成本优势,例如0.5ppm或1.0ppm.图2是补偿振荡器的频率与温度的关系示例.

稳定性高和低功率需求的TCXO晶振

图2

模拟补偿也提供了极好的短期稳定性.TCXO的典型性能<3x10-10,采样周期为0.1和1.0秒.这种性能在温度范围内保持一致,在相同的采样率下,出现了几起高达2x10-9的孤立事件.温度可高达2°C/分钟,性能不会显著下降.

T75系列TCXOs提供三态选项或电压参考选项.Tristate功能打开和关闭输出,但允许振荡器继续运行,最大限度地减少TCXO的稳定时间.这一功能对于测试功能非常有用,当多个单元同时运行时,能够轻松测试一个部件,这在电信和通信系统中是典型的情况.三态通过“HI”或浮动输入启用,通过“LOW”0V输入禁用.

电压基准是内部调节的电压输出,可用于偏置温补晶振的电气频率控制(EFC)端口,并将该单元设置在标称频率上.+3.3V单元的电压输出为+2.4VDC(典型值),而+5.0V单元的电压输出为+4.3VDC(典型值).

TCXO晶振可以通过指定的EFC电压进行调节,或者通过使用电压基准(VREF)(参考)偏置EFC来调节.图3),或者中心频率可以由Greenray内部设置,不可由客户调整.EFC输入对于喜欢随着时间的推移重新校准TCXO选项的客户是有利的.一些人通过软件和D/A转换器使用电调节来偏置输入,而另一些人仅仅使用一个简单的电位器分压器来调节单元的外部电压.

如果装置的电源电压非常稳定,分压器(参考.可以使用图4).然而,建议使用这种方法小心,因为电源电压中的任何不稳定性都可能直接输入EFC端口,导致稳定性随温度的变化.这些单元通常利用EFC功能调整5pP,因此相对较小的电压变化会显著地移动频率.

图4图5

Greenray高性能TCXOs集成了一个低噪声ASIC振荡器,可向10欧姆/10pF负载输出+3.3伏+5.0伏CMOS方波或0.8伏-P限幅正弦波.该振荡器的削波正弦波型在25mHz时输出的输入功率非常低,小于2mA.CMOS版本也非常低,在25兆赫兹时低于4mA.这两部分都解决了对极低输入功率的需求,以延长电池寿命.

TCXO晶振设计用于10Hz至50Hz频率范围,典型的相位噪声图如图5所示.石英晶体振荡器还具有可变晶体驱动的独特特性,以优化温度补偿和相位噪声.

稳定性高和低功率需求的TCXO晶振