石英晶體振蕩器按照不同的性能進行細分類,普通有源晶振,電壓控制晶體振蕩器,溫度補償晶體振蕩器,恒溫控制晶體振蕩器,差分信號晶體振蕩器等不同的性能類別石英晶體振蕩器.龍湖電子該篇文章要講的是關于利用恒溫槽使晶體振蕩器或石英晶體振子的溫度保持恒定,將由周圍溫度變化引起的振蕩器輸出頻率變化量削減到小的恒溫晶體振蕩器，

恒溫控制的晶體振蕩器

在OCXO中,晶體和其他溫度敏感電路被置于溫度控制結構中.我們的想法是將晶體保持在高于OCXO暴露的最高環境溫度的穩定溫度.為獲得最佳效果,將恒溫槽設置為諧振器周轉溫度.可以使用AT切割或SC切割晶體諧振器.SC切割石英晶振提供最佳的整體性能,而AT切割提供更低的成本.

控制溫度的主要原因是消除溫度引起的異常的影響.所有石英晶體諧振器都與那些僅允許補償(或可預測性)在±0.1ppm之內的熱異常相關聯.另一個原因是允許使用不太可拉動但非常穩定的較高泛音晶體通過控制溫度設定在特定頻率.較高泛音晶體的使用還導致由于諧振器的Q值較高而導致短期穩定性提高,并且由于諧振器的石英質量增加而改善了長期性能.

OCXO恒溫晶體振蕩器的最大優點是其穩定性,這是其他晶體振蕩器類型無法比擬的.OCXO的頻率與溫度穩定性取決于諧振器的靜態和動態F與T特性,OCXO的設計溫度范圍,恒溫和支持電路中元件的穩定性,以及其精度將恒溫設定為諧振器的周轉溫度.典型的分數穩定性范圍可以從±20ppb(±20E-9)到±100ppb.這種穩定性可在-40℃至+85℃的溫度范圍內有效.可在較窄的溫度范圍內獲得穩定性.

OCXO晶振的主要缺點是功耗,單元尺寸,預熱時間和成本.所需的恒溫槽功率主要取決于所用絕緣材料的質量和恒溫槽與外部環境之間的溫差.增加絕緣量以減少熱量損失需要增加尺寸,從而在功率和尺寸之間進行權衡.預熱時間是烤箱達到工作溫度和穩定頻率所需的時間.它在很大程度上取決于可用功率,烤箱的熱質量,絕緣質量和環境溫度.典型的預熱時間為15秒至5分鐘.

設置恒溫溫度

恒溫工作溫度(晶體轉換溫度)必須比振蕩器工作的最高環境溫度高幾度,以便恒溫可以保持良好的控制(考慮到振蕩器本身產生的內部熱量上升).

然而,存在與高爐溫操作相關的缺點.首先,晶體的頻率與溫度特性更加清晰,更高的周轉晶體導致對爐溫的微小變化更敏感.其次,更重要的是,隨著溫度的升高,晶體老化會降低.因此,在設計恒溫控制晶體振蕩器時,人們在確定所需的爐子工作溫度方面面臨著妥協;它應盡可能低,但必須足夠高,以便在最高環境工作溫度下提供良好的控制.

水晶諧振器的預熱

當例如熱量通過安裝夾子流入或流出諧振器板的有源區域時,改變晶體單元周圍的溫度會產生熱梯度.靜態F對T特性由熱梯度引起的應力引起的熱瞬態效應修改.當恒溫晶體振蕩器打開時,可能會產生明顯的熱瞬態效應.

對于使用AT切割諧振器的OCXO,晶體諧振器頻率隨著烤箱升溫而迅速降低.這僅僅是因為AT切割晶體的頻率在室溫下比在其上部周轉溫度下高得多.在標準的OCXO中,烤箱平衡10到15分鐘,但AT切割晶體的熱梯度產生大的頻率下沖(橡皮筋效應),在烤箱達到平衡幾分鐘后退火到其最終頻率.通常,在開啟后30分鐘內實現相對高的穩定性,并且在特殊的快速預熱設計中,這個時間可以減少到不到5分鐘.另一方面,SC切割晶體被”應力補償”,從而對這種熱瞬態引起的應力不敏感,

烤箱穩定性

烤箱的穩定性取決于OCXO以外的溫度范圍和烤箱的熱增益.熱增益定義為外部到內部溫度偏移比.例如,如果在-40oC至+60oC的外部溫度偏移期間,烤箱內的溫度變化0.1oC,則熱增益為103.此外,熱瞬態效應使得使用AT切割諧振器實現小型烤箱偏移比使用SC切割設計更困難和耗時.

當所需的溫度穩定性超過標準比例控制的烤箱可以達到的溫度穩定性時,可以使用雙爐系統,其中標準烤箱容納在第二烤箱內.然后外部烘箱將環境溫度變化緩沖到內部烘箱,其包含振蕩器電路.

穩定時間和穩態

這定義為長時間關閉后達到一定穩定水平所需的時間.烤箱功率達到規定的最大值,然后在烤箱達到其工作溫度時切斷回到穩定狀態.OCXO的功耗在預熱時通常為5W左右,在穩定狀態下為1.5W,具體取決于尺寸.

追溯

Retrace是電源施加后的頻率誤差,與之前的值和電源去除前的老化率相比較.在測量回掃時,OCXO晶振斷電的正常時間為24小時,正常通電時段有足夠的時間來完成熱平衡.通過適當設計振蕩器,烘箱機構和晶體諧振器可以獲得良好的回掃.這是±20到±50ppb的量級.從晶體到晶體的這些特性存在顯著差異.除了上述與晶體相關的影響之外,來自加熱和冷卻爐結構的熱應力也可以有助于回掃和老化速率的變化.在大多數應用中,OCXO持續通電.在這種情況下,老化是關鍵特性,關斷/開啟特性幾乎沒有意義.但是,當應用程序需要頻繁關閉時,應考慮其他一系列特性(如Retrace).

雙旋轉(SC切割)晶體

雖然大多數高穩定性晶體振蕩器使用AT切割晶體,但SC切割晶體通常用于最高穩定性的OCXO模型.SC切割晶體是雙旋轉晶體族之一(相對于三個晶軸中的兩個以一定角度切割的石英晶體).家族中的其他人包括IT切割和FC切割.SC切割代表了最佳的雙旋轉設計,因為其特定的角度提供了最大的應力補償.以下是雙旋轉和AT切割晶體之間的比較.

SC切割晶體的優點:

改善老化-對于給定頻率和泛音(例如10MHz,3rd泛音),SC切割晶體相對于AT切割提供2至3倍的老化改善.

熱瞬態補償-允許在OCXO中更快地預熱

相位噪聲-對于特定誒SMD晶振體頻率和諧波的特定振蕩器設計,SC切割晶體提供更高的Q值和相關的改善的相位噪聲特性.

平面應力補償-由于邊緣力和彎曲引起的頻率變化較小

靜態和動態F與T-允許更高的穩定性OCXO和MCXO

更好的F與T重復性-允許更高的穩定性OCXO和MCXO

活動減少的次數要少得多

降低驅動水平靈敏度

對輻射的敏感度較低

SC切割晶體的缺點:

成本-由于在制造SC晶體時圍繞兩個軸的嚴格控制的角度旋轉與AT的一個軸相關的困難,SC晶體的成本明顯高于相同頻率和泛音的AT.

可滑動性-SC晶體的運動電容比相同頻率和泛音的AT的運動電容小幾倍,從而降低了”拉”晶體頻率的能力.這限制了SC晶體在傳統的TCXO晶振和VCXO中的使用,甚至在需要能夠在任何顯著程度上偏離振蕩頻率的爐控振蕩器中.

艾倫方差

AllanVariance,也稱為短期穩定性,是時域中振蕩器穩定性的衡量標準.它測量連續頻率測量中的RMS變化,以獲得短的門控時間(毫秒到秒),并且在時序應用中非常重要.它通常隨著柵極時間的增加而改善,直到它成為振蕩器的中長期漂移的量度.該漂移或者是振蕩器的溫度系數和/或老化的結果.10MHzOCXO的典型數字如下表所示.

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