采用SC切割的OCXO振蕩器優缺點及電路特性

如果你要問我哪家OCXO振蕩器做得比較好,那么我會給你推薦美國Vectron International公司生產的,因為這家品牌在國際上也是非常有知名度的,主要研發,生產,制造和銷售各種石英晶體和石英晶體振蕩器產品.專業并專注于頻率控制元器件,因此品質和技術完全不用擔心,OCXO晶振是Vectron公司近年來大力發展的產品模塊,不斷開發出高品質,高性能,多用性,低功耗,低相位噪聲,低時鐘抖動的OCXO系列.

如果穩定性要求過于嚴格,基本的晶體振蕩器或TCXO晶振無法滿足要求,則晶體和關鍵電路可以通過烤箱進行溫度控制.Vectron恒溫箱晶體振蕩器的框圖類似于Vectron-TCXO的框圖,除了刪除了變容二極管和相關的熱敏電阻補償網絡,而振蕩器由比例控制的恒溫箱來控制.

比例烤箱控制

比例控制是一種電子伺服系統,可連續為烤箱供電.它會改變烤箱的功率,從而不斷補償環境溫度的變化.在許多Vectron烤箱控制的振蕩器中,熱敏電阻被熱沉到烤箱的金屬外殼上以感應溫度.熱敏電阻是電阻橋的一個分支,如下圖所示. 

電橋的工作方式是,如果由于環境溫度的變化導致烤箱溫度降低,則熱敏電阻的變化會導致電橋不平衡,從而導致電橋輸出電壓升高.該電壓在高增益差分放大器中被放大.差分放大器的輸出在功率放大器中進一步放大,該功率放大器直接驅動到烤箱繞組中.因此,由電橋不平衡引起的小電壓升高會在烤箱繞組上產生大的電壓升高.烤箱功率的增加會產生更多的熱量,以補償最初由熱敏電阻感應到的溫度下降.同樣,烤箱溫度升高會導致橋式輸出電壓降低,從而導致烤箱功率降低,補償溫度降低.

在某些Vectron-OCXO中使用的此設計的替代方法是,將功率放大器的熱量沉入烤箱殼體作為傳熱機制,以代替加熱器繞組.概念是相同的,唯一的不同是通過車輛將熱量施加到烤箱的車輛.相對于晶體固有的穩定性,采用比例控制的烤箱可以提高振蕩器的溫度穩定性5000倍以上(例如,在0-50℃時從±1x10-5到±1x10-9).但是,烤箱控制系統并不完美,因為(a)開環增益不是無限的;(b)烤箱內有內部溫度梯度;(c)烤箱外的電路會受到環境溫度的變化,“拉”頻率.因此,環境溫度的變化將導致烤箱溫度的微小變化. 

設定烤箱溫度

如上圖所示,設定烤箱的實際溫度對于最大程度地減少環境溫度變化的影響至關重要.請參見圖2,如果將烤箱溫度設置為指定的(1)點,并且周圍溫度導致烤箱溫度從A變為B,將導致X幅度的頻率變化.但是,如果將烤箱溫度設置為較高的轉換點(2),則相等的溫度變化(C到D)將導致頻率(幅值Y)的變化明顯減少.因此,每個Vectron烤箱都單獨設置為所容納晶體的周轉溫度.這可以通過調節電位器來完成,如圖1所示,該電位器為電橋的一個分支.

用AT切割晶體進行熱身

最初在室溫下打開振蕩器時,相對于烤箱穩定后的輸出頻率,該頻率非常高,通常為30x10-6.這完全是由于以下事實:AT切割晶體的頻率在室溫下要比其較高的周轉溫度高得多.隨著烤箱預熱,晶體頻率迅速降低.在標準Vectron晶振中,烤箱平衡在10-15分鐘之內,但晶體表現出橡皮筋效應,并在穩定之前按圖3超出其最終頻率.通常,開機后30分鐘內會達到較高的穩定性;在特殊的快速熱身設計中,此時間可以減少到不到5分鐘. 

周轉溫度

烤箱的工作溫度(晶體轉換溫度)必須比振蕩器要工作的最高環境溫度高幾度,以便烤箱可以保持良好的控制(考慮振蕩器自身產生的內部熱量上升).然而,在高烤箱溫度下操作存在一些缺點.首先,隨著周轉率越高的晶體,晶體的頻率隨溫度變化特性越清晰,從而導致對烤箱溫度的微小變化更加敏感,如圖4所示. 

其次,更重要的是,晶體老化(如下所述)隨著溫度的升高而降低.因此,在設計烤箱控制的晶體振蕩器時,在確定期望的烤箱工作溫度時面臨著一種折衷.它應盡可能地低,但必須足夠高以在最大環境工作溫度下提供良好的控制.

穩定性

A.老化-老化是指晶體振蕩器頻率隨時間連續變化,所有其他參數保持恒定.在交付之前,對每個Vectron烤箱控制的振蕩器進行預老化,直到達到指定的老化率.老化率通常與穩定性一詞同義.因此,有時將老化速率為每天10-8的一部分(1x10-8/天)的振蕩器稱為108振蕩器的一部分.這是不正確的術語,因為老化率(長期穩定性)必須參考時間,并且僅代表振蕩器穩定性的一個方面.

B.溫度穩定性-如前所述,因為沒有烤箱控制系統是完美的,所以環境溫度的變化會導致輸出頻率的變化很小.頻率偏移是振蕩器的老化曲線的偏移量.與正常老化特性的偏差與時間無關,而是固定的偏移量.因此,對于給定的溫度變化,頻率偏移與溫度的關系(溫度穩定性)例如為5x10-9/天,而不是5x10-9/天.該特性如下所示. 

環境溫度變化不會產生磁滯效應;也就是說,如果環境溫度發生變化,然后又返回到原始溫度,則最終頻率將基本上是沒有環境溫度變化時所產生的頻率.當所需的溫度穩定性超出了使用標準比例控制烤箱所能達到的溫度穩定性時,可以使用雙烤箱系統,其中將標準烤箱容納在第二烤箱內.然后,外部烤箱緩沖環境溫度變化到內部烤箱,內部溫度包含振蕩器電路.

C.重新穩定化和回掃-當關閉晶體振蕩器一段時間后再打開時(如在出廠時發生的情況),晶體需要重新穩定化周期.該特性與初始工廠時效特性相似,但是由于晶體已經在工廠中進行了時效處理,因此可以更快地實現高穩定性.在大多數應用中,烤箱控制的晶體振蕩器會持續通電.在這種情況下,老化是至關重要的特性,而關/開特性幾乎沒有意義.但是,某些應用要求經常將烤箱控制的晶體振蕩器斷電并重新通電(應盡可能避免這種做法).當應用需要頻繁關閉時,應考慮其他一系列特性. 

在圖6中,假設振蕩器被通電直到時間T2,然后關閉一段時間,然后在時間T3再次打開.然后,三個特征可能很重要:

1.振蕩器在關閉后(打開后的指定時間)返回輸出頻率的接近程度.這稱為回掃特征.T4處的回掃誤差=f1-f3.

2.在烤箱穩定后的一段時間內,頻率會變化多少.這稱為重新穩定化或預熱特性.從T4到T5的重新穩定化速率=(f3-f2)/(T5-T4)

3.振蕩器在指定的關斷時間后需要多長時間才能達到規定的老化速率(這稱為”重老化”).許多因素都會影響回掃,可再穩定化和重老化特性.正確的電路設計和元件選擇將其影響最小化,從而留下(1)晶體,(2)振蕩器開啟之前的關閉周期長度是主要因素.這些特性在晶體之間存在很大的差異,只有在絕對需要時才應指定它們,然后僅在需要時才指定它們,因為該領域的”嚴格”規范由于產量低而對振蕩器成本產生重大影響.這些特性對石英晶體振蕩器幾乎沒有影響持續通電.

雙旋轉(SC和IT切割)晶體

盡管大多數高穩定性晶體振蕩器使用ATCut晶體,但SC和ITCut晶體通常用于最高穩定性模型中.SC切割晶體是雙旋轉晶體家族中的一種(石英晶體相對于三個晶體學軸中的兩個以一定角度切割).該系列中的其他產品包括ITCut和FCCut.SCCut代表了最佳的雙旋轉設計,因為其特殊的角度可提供最大的應力補償,但ITCut可獲得類似的性能.

以下是兩次旋轉(為方便起見簡稱為SC)和ATCut晶體之間的比較.

SC晶體的優勢:

1,改善衰老對于給定的頻率和泛音(例如10MHz,第三泛音),SC晶體相對于AT晶體具有2:1到3:1的老化改善.

2.熱身在具有給定烤箱設計和開啟功率的烤箱控制振蕩器中,SC晶體比AT晶體用更少的時間即可達到其”最終頻率”.

3,相位噪聲對于給定的振蕩器設計,晶體頻率和泛音,SC晶體可提供更高的Q值和相關的改善的相位噪聲特性.這種改進主要適用于載波附近,因為本底噪聲是由電路設計而非晶體決定的.

4.高工作環境溫度.圖7顯示了AT,IT和SC晶體的相對頻率-溫度特性.AT晶體的較高溫度轉換點(圖7中的”A”)和SC晶體的較低溫度轉換點(圖7中的”B”)在70℃~90℃的溫度范圍內最佳.基于(a)最高工作環境溫度與晶體轉換溫度之間的理想10℃差異,以及(b)晶體轉換溫度的制造公差,這些石英晶體最適合50℃的最大工作環境溫度C~+75℃.但是,IT晶體的較高溫度轉換點(圖7中的”C”)非常適合高溫操作,因此,IT晶體是最高工作溫度在85℃的高穩定性烤箱控制振蕩器的合理選擇.0~+95℃范圍.請注意,雖然SC和IT晶體曲線在高溫下相對平坦,但它們的頻率在低溫下會迅速下降.因此,盡管它們在高穩定性HIF恒溫振蕩器控制的振蕩器中發揮良好的作用,但它們通常不適用于其他類型的穩定晶體振蕩器. 

5.方向靈敏度(翻倒).當改變振蕩器的物理方向時,由于由重力作用引起的晶體毛坯上的應力變化,頻率變化很小(對于任何90度旋轉,通常不超過10-9中的幾個部分).水晶支架.傾翻以10-9/g表示,其中1g代表180°方向變化的一半.與AT相比,SC晶體對取向變化的頻率敏感性較低.但是,對于大多數應用而言,AT和SC晶體之間的傾翻差異并不大,該特性通常不是規格考慮因素.

6,振動下的雜散當晶體振蕩器受到振動時,會產生寄生頻率,該寄生頻率會因振動頻率而偏離頻率振蕩.這些雜散輸出的幅度與振動幅度,晶體支架的機械設計以及振蕩器的機械設計有關.與AT相比,SC晶體在振動下產生的振幅雜散輸出更低.但是,此特性更多地取決于晶體和振蕩器的機械設計,而不是取決于晶體切割.

SC晶體的缺點:

1,費用由于在制造SC晶體時相對于AT的一個軸圍繞角度嚴格控制圍繞兩個軸旋轉的困難,因此SC晶體的成本明顯高于具有相同頻率和泛音的AT的成本.

2.可拉性SC晶體的動電容比相同頻率和泛音的AT的動電容小幾倍,因此降低了”拉”晶體頻率的能力.這限制了SC晶體不能用在常規TCXO和VCXO振蕩器中,甚至不能用在烤箱控制的振蕩器中,從而要求能夠顯著偏離振蕩頻率.

綜上所述,雙旋轉晶體在晶體振蕩器中的適用性基本上僅限于烤箱控制的應用,在這些應用中,改進的老化,預熱和近相噪聲特性可證明顯著增加了成本.

采用SC切割的OCXO振蕩器優缺點及電路特性