米利倫OCXO晶振可最大程度替代銣振蕩器的有哪些方面

絕大部分人都沒有聽過什么是銣振蕩器,它的全名是銣原子振蕩器,從名稱上看就知道這種晶振的原材料絕不是石英或硅晶,而是應(yīng)用一種新型的陶瓷填充,利用其微波腔有效的減小物理部分體積.它的做種有很多,比如可以縮小體積,壽命加長,成本低,低老化率,極高的穩(wěn)定性和非常低相位噪聲等,但同樣也有致命的弱點(diǎn).由于技術(shù)和材料限制了大量生產(chǎn)的需求,制造過程也比較復(fù)雜與普通的振蕩器差別較大,但是部分特殊產(chǎn)品非常需要銣振蕩器,卻極少有晶體制造商可以大量的供應(yīng).

為了提供銣振蕩器的替代品,MTI-Millien晶振公司設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種超穩(wěn)定的恒溫晶體振蕩器(260系列).該振蕩器已被開發(fā)用于保持銣振蕩器的可比性能參數(shù)至關(guān)重要的應(yīng)用中,而不會出現(xiàn)較高的成本和可能對系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)造成損害的固有磨損現(xiàn)象.精密石英晶體振蕩器在滿足從衛(wèi)星通信系統(tǒng)到電話基站和數(shù)字電話網(wǎng)絡(luò)等各種應(yīng)用需求方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用.這些應(yīng)用中的每一個(gè)都對現(xiàn)有的頻率源提出了嚴(yán)格的要求,不僅是為了性能,也是為了降低成本.

銣振蕩器在很大程度上滿足了許多最嚴(yán)格的性能要求.然而,銣振蕩器還不能滿足一些關(guān)鍵領(lǐng)域.它們是:熱穩(wěn)定性、功耗、可靠性、使用壽命、尺寸和成本.另一方面,石英振蕩器通常沒有這些缺點(diǎn).然而,石英晶體振蕩器還沒有達(dá)到銣振蕩器性能的兩個(gè)參數(shù)是老化和預(yù)熱.對于低老化率至關(guān)重要的應(yīng)用,可以使用銫、銣或全球定位系統(tǒng)等主要頻率標(biāo)準(zhǔn)來控制石英振蕩器并補(bǔ)償這一特性.

260系列是利用SC切割石英諧振器結(jié)合雙爐技術(shù)開發(fā)的,以提供在許多方面與銣振蕩器相當(dāng)?shù)男阅芴卣?/span>.開發(fā)260系列振蕩器的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是:

卓越的熱穩(wěn)定性

低相位噪聲

低功耗

縮小尺寸

可制造性和一致性

低成本

20年壽命

設(shè)計(jì)和施工

必須實(shí)現(xiàn)總體尺寸小的基本設(shè)計(jì)目標(biāo),以便在預(yù)熱和連續(xù)運(yùn)行期間將功率降至最低.它還將支持低零件數(shù)量的目標(biāo),從而降低成本,同時(shí)帶來更適合大規(guī)模制造環(huán)境的設(shè)計(jì). 

圖1:260系列結(jié)構(gòu)框圖

為達(dá)到所需的熱穩(wěn)定性

<2e-10/100℃和低相位噪聲,260系列設(shè)計(jì)采用封閉在雙爐中的SC切割石英晶體.圖1顯示了振蕩器的結(jié)構(gòu)框圖.石英晶體和維持電路位于內(nèi)部烤箱內(nèi)部.然后,內(nèi)部烤箱組件被第二個(gè)外部烤箱組件包圍.這為石英晶體和振蕩器組件提供了高度穩(wěn)定的溫度控制外殼,從而具有出色的熱穩(wěn)定性能和低相位噪聲,尤其是在距載波頻率低于1Hz的頻率下.如圖1的方框圖所示,內(nèi)部烤箱控制和輸出放大器電路也被外部烤箱組件包圍.這通過減少溫度變化對內(nèi)部烤箱控制和放大器電路的影響,提供了更好的熱穩(wěn)定性.

對比

過去幾年,the振蕩器的開發(fā)取得了進(jìn)展-主要是在減小尺寸方面.但是,of振蕩器的性能仍然存在某些固有的缺點(diǎn).這種缺點(diǎn)的例子是are燈的壽命有限,振蕩器的總質(zhì)量,熱穩(wěn)定性,相位噪聲和功耗等.

260系列尺寸為50.8mmx50.8mmx38.1mm(0.098cm3),重量為150g.這種微型封裝在in振蕩器欠缺的上述區(qū)域提供了卓越的性能.例如,在-30℃~+70℃的溫度范圍內(nèi),10MHz(利用5MHz晶體,然后將其倍增)的260系列振蕩器的熱穩(wěn)定性為<2e-10,<-100dBc/Hz在1Hz偏移相位噪聲特性和<5e-11/天老化率歸屬下.相比之下,在-10℃~+60℃的溫度范圍內(nèi),相同參數(shù)的典型Rub時(shí)鐘的性能<2e-10,在1Hz偏移下<-85dBc/Hz,<2e-12/day分別.260系列振蕩器的老化速率以<5e-11的速率進(jìn)行測量并提供,但目前許多5MHz單元在連續(xù)運(yùn)行1到2個(gè)月后達(dá)到的速率低至2到5e-12/天.表1提供了使用10MHzSC切割石英晶體的260系列振蕩器與各種against振蕩器制造商發(fā)布的一些性能結(jié)果的比較.

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出260系列振蕩器的性能是可比的,在某些情況下還超過了a振蕩器的性能.這使得260系列成為替代of振蕩器的可行選擇,特別是在提高熱穩(wěn)定性和降低成本方面.對于無法在振蕩器老化率之間做出折衷的應(yīng)用,可以將260系列與主頻率標(biāo)準(zhǔn)(例如LoranC,T1信號,GPS等)結(jié)合使用,以規(guī)范振蕩器,以提高長期穩(wěn)定性.穩(wěn)定性能.總體結(jié)果可以是具有出色的石英短期穩(wěn)定性與銫原標(biāo)準(zhǔn)的長期穩(wěn)定性的頻率參考.石英振蕩器具有濾波功能,可以很大程度地消除傳輸介質(zhì)的較大抖動(dòng).

測試方法和結(jié)果

迄今為止,已經(jīng)制造出4至20MHz之間的各種頻率的振蕩器.5MHz和10MHz的頻率構(gòu)成了具有統(tǒng)計(jì)意義的總體.討論的測試結(jié)果針對這兩個(gè)頻率的有源晶振.在生產(chǎn)過程中,將對每個(gè)振蕩器的以下參數(shù)進(jìn)行性能評估:熱穩(wěn)定性,老化,相位噪聲,短期穩(wěn)定性和電源電壓靈敏度.接下來是對這些參數(shù)的詳細(xì)討論.

熱穩(wěn)定性

在幾周內(nèi),溫度通常是石英振蕩器不穩(wěn)定的最大原因.260系列振蕩器采用雙烤箱配置,可以大大減弱較大的環(huán)境溫度變化.熱敏的維持振蕩器電路和石英晶體被放置在內(nèi)部烤箱中,從而使環(huán)境溫度變化的影響最小化.

例如,如果外部烤箱控制電路能夠?qū)h(huán)境溫度變化衰減100倍,然后再加上類似的內(nèi)部烤箱增益,則理想情況下,內(nèi)部烤箱內(nèi)部的溫度變化將衰減10,000倍.環(huán)境溫度的變化.因此,對于100℃的環(huán)境溫度變化,示例中內(nèi)部烤箱內(nèi)部的溫度僅變化0.01℃.我們可以進(jìn)行一些粗略的計(jì)算,以了解振蕩器電路和使用上述烤箱控制電路穩(wěn)定的石英晶體的預(yù)期熱性能.

假設(shè)烤箱的溫度可以設(shè)置在晶體轉(zhuǎn)折點(diǎn)的0.1℃以內(nèi),則具有86℃轉(zhuǎn)折點(diǎn)的5MHzSC切割晶體的溫度系數(shù)可以近似為8e-10/℃.組件的溫度系數(shù)估計(jì)為1e-09/℃.因此,對于烤箱溫度0.01℃的變化(由于環(huán)境溫度變化100℃),OCXO振蕩器的熱穩(wěn)定性能可能為8e-12+1e-11=1.8e-11. 

圖2:5MHz振蕩器的熱穩(wěn)定性 

圖3:10MHz振蕩器的熱穩(wěn)定性

振蕩器在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的性能表現(xiàn)為以10℃為步長將環(huán)境溫度從最低指定溫度掃描到最高指定溫度.然后將溫度掃回到圖2和圖3右軸所示的最小值.在25℃初始溫度點(diǎn)和最終溫度點(diǎn)之間測得的頻率差用于抵消振蕩器頻率的任何漂移.假設(shè)在測試時(shí)間內(nèi)線性頻率漂移.圖2和圖3分別顯示了5MHz和10MHz振蕩器的熱穩(wěn)定性能.

老化

裝運(yùn)前要確定每個(gè)振蕩器的日漂移率.這可以通過將設(shè)備通電10到20天不等來實(shí)現(xiàn).在此期間,大約每2小時(shí)會主動(dòng)收集每個(gè)單元的數(shù)據(jù).每個(gè)讀數(shù)是10次頻率測量的平均值,且門時(shí)間為1秒.通過將直線統(tǒng)計(jì)地?cái)M合到全部或部分?jǐn)?shù)據(jù)集來確定測得的漂移率. 

圖4:5MHz振蕩器的老化特性

5MHz振蕩器經(jīng)過408天的老化結(jié)果如圖4所示.該振蕩器的老化速率為每天4.8e-12.對于圖5中的10MHz振蕩器,老化速率為3.3e-11/day.這兩個(gè)圖中顯示的測量不是在同一時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行的. 

圖5:10MHz振蕩器的老化特性

圖4所示數(shù)據(jù)的跳躍是由于電源故障時(shí)間延長所致.有趣的是,在前兩個(gè)電源中斷期間,該振蕩器的初始回掃值為8e-10,但是,在連續(xù)運(yùn)行約60天后,回掃值減小為2e-10.在圖5中,在第70天出現(xiàn)了無法解釋的6e-9頻率跳變.在此狀態(tài)下,貼片振蕩器以相同的速率持續(xù)老化75天.此時(shí),頻率跳回到原始的老化曲線.頻率偏移的原因未知.每種情況下的跳動(dòng)可能都是由電源中斷引起的.呈現(xiàn)的老化數(shù)據(jù)代表有關(guān)電源中斷和室溫,濕度和±5℃溫度下正常環(huán)境波動(dòng)的現(xiàn)實(shí)情況.這些單位位于生產(chǎn)車間,因此也經(jīng)歷了大量的人類活動(dòng).

相位噪聲 

圖6:5MHz振蕩器的相位噪聲結(jié)果 

圖7:10MHz振蕩器的相位噪聲結(jié)果

在HP3048A測試系統(tǒng)上使用兩個(gè)類似的振蕩器進(jìn)行相位噪聲測量.圖6和圖7分別顯示了5MHz和10MHz振蕩器的典型相位噪聲結(jié)果.所顯示的曲線圖并不能說明均等的信號源,因此,各個(gè)單元的實(shí)際性能比圖中顯示的結(jié)果小3dB.

短期穩(wěn)定性

短期穩(wěn)定性測量結(jié)果來自使用HP3048A系統(tǒng)進(jìn)行的相位噪聲測量.5MHz和10MHz振蕩器的sy(t)分別如圖8和圖9所示. 

圖8:5MHz振蕩器的短期穩(wěn)定性 

圖9:10MHz振蕩器的短期穩(wěn)定性

電源電壓靈敏度

通過將電源電壓從標(biāo)稱工作值改變±5％,對每個(gè)振蕩器進(jìn)行電源電壓靈敏度測試.然后通過以10秒的門間隔平均10個(gè)樣本來獲取頻率讀數(shù).圖10和11分別顯示了5MHz和10MHz振蕩器的電源電壓靈敏度.從圖10和圖11的圖表可以看出,5MHz和10MHz振蕩器的典型性能分別為<2e-11和3e-11.測量分辨率限制在2e-11左右,因此5MHz振蕩器的實(shí)際性能尚未得到精確測量. 

圖10:5MHz振蕩器的電源電壓靈敏度 

圖11:10MHz振蕩器的電源電壓靈敏度 

圖12:5MHz振蕩器的預(yù)熱 

圖13:5MHz振蕩器的預(yù)熱(放大) 

圖14:10MHz振蕩器的預(yù)熱 

圖15:10MHz振蕩器的預(yù)熱(放大)

預(yù)熱測試是許多應(yīng)用的重要參數(shù),下面提供了該測試的數(shù)據(jù).通過關(guān)閉設(shè)備電源約24小時(shí),對振蕩器進(jìn)行預(yù)熱.然后打開這些單元的電源,并以1秒的門控間隔進(jìn)行頻率測量.測試運(yùn)行60分鐘,是指定預(yù)熱時(shí)間的4倍.預(yù)熱df/f是指60分鐘時(shí)的頻率.

表3顯示了28個(gè)MTI型號260-0504(5MHz)和36個(gè)260-0502(10MHz)的貼片晶振生產(chǎn)測試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)報(bào)告.設(shè)計(jì)使用高精度振蕩器的系統(tǒng)需要仔細(xì)考慮周圍環(huán)境電子產(chǎn)品.兩個(gè)這樣的示例是熱設(shè)計(jì)考慮因素和電路走線電阻.忽略這些設(shè)計(jì)問題往往會損害振蕩器的全部性能. 

熱設(shè)計(jì)

為避免損害任何由烤箱控制的晶體振蕩器的熱穩(wěn)定性能,請勿將其與大型散熱器接觸,例如緊靠設(shè)備機(jī)箱(除預(yù)期的安裝配置外)或與通風(fēng)風(fēng)扇并排放置.振蕩器產(chǎn)生的過多熱量可能會導(dǎo)致工作環(huán)境不同于“測試”環(huán)境.結(jié)果可能會導(dǎo)致用戶的配置與制造時(shí)測得的熱穩(wěn)定性之間的相關(guān)性差異.

相反,振蕩器也不能過度絕緣.例如,如果將振蕩器周圍的絕緣提高3倍,則內(nèi)部電路產(chǎn)生的熱量也會使振蕩器的內(nèi)部溫度也升高3倍.這具有降低較高的環(huán)境工作溫度的不良作用.

接地回路

一個(gè)更細(xì)微的設(shè)計(jì)問題(也往往會損害振蕩器的整體性能)是從電源到振蕩器接地引腳的PCB走線電阻.環(huán)境溫度的變化會導(dǎo)致振蕩器電源電流發(fā)生較大變化.結(jié)果,相對于電源接地引腳,振蕩器接地引腳的視在接地電壓電平存在波動(dòng).但是,如果內(nèi)部參考振蕩器接地引腳并消耗微不足道的電流的電調(diào)諧電壓輸入引腳直接返回電源,則結(jié)果將是振蕩器接地引腳與其調(diào)諧輸入引腳之間的電壓差.其結(jié)果等同于施加與溫度成比例的調(diào)諧電壓來調(diào)諧振蕩器.

工作頻率與性能

石英振蕩器的許多工作特性可以通過選擇工作頻率來確定.決定許多振蕩器規(guī)格的基本參數(shù)是石英的電抗與頻率斜率ordX/dF值.通過以下等式可以近似得出:

dX=4×p×L1

其中L1=石英晶體的運(yùn)動(dòng)電感.該參數(shù)取決于晶體的幾何形狀和電極尺寸,并因此取決于石英晶體的頻率.

使用dX/dF值小的晶體的振蕩器更容易受到頻率變化的影響,因?yàn)橹恍枰娐冯娍沟奈⑿∽兓纯僧a(chǎn)生頻率偏移.對于10MHzSC諧振器,與5MHz諧振器的dX/dF為130W/Hz相比,該值約為18W/Hz.這意味著5MHz振蕩器比10MHz振蕩器受外部影響的頻率變化的影響小10倍18=7.2.

例如,考慮在貼片進(jìn)口振蕩器的調(diào)諧電路中使用一個(gè)15mH的電感器,該電感器在振蕩器的整個(gè)使用壽命內(nèi)變化1％.該電感器在10MHz時(shí)的電抗變化為:

dX=15e-6×0.01×2×p×10e6=9.425WdF=9.425×18=0.524Hz

類似地,對于具有30mH(用于產(chǎn)生與上述相同的電抗變化的非標(biāo)準(zhǔn)值)的5MHz振蕩器,其變化為1％是7.

dX=30e-6×0.01×2×p×5e6=9.425WdF=9.425×130=0.073Hz

由于溫度,濕度,元件老化等導(dǎo)致振蕩器電路電抗的任何變化,與工作在較高頻率(dX/dF/d)的振蕩器相比,運(yùn)行在較低頻率(dX/dF)的振蕩器的頻率變化較小.dF).

還必須注意,按照上面概述的相同原理,5MHz振蕩器的可用調(diào)諧范圍將比10MHz振蕩器小得多.但是,如果僅將調(diào)諧范圍用于調(diào)節(jié)振蕩器,則不必?fù)?dān)心,因?yàn)榭捎玫恼{(diào)諧范圍將與振蕩器壽命內(nèi)預(yù)期的頻移大致成正比,這可以從5MHz的更好性能中看出.與10MHz振蕩器相比,它在熱穩(wěn)定性,老化,相位噪聲,電源電壓靈敏度等方面具有優(yōu)勢.

穩(wěn)定性預(yù)算

穩(wěn)定性預(yù)算是確定系統(tǒng)壽命期間振蕩器總體穩(wěn)定性要求的有用工具.

表2:穩(wěn)定性預(yù)算

結(jié)合使用穩(wěn)定性預(yù)算以及對晶體頻率的基本了解以及由此產(chǎn)生的振蕩器性能折衷,有助于選擇適合應(yīng)用的類型振蕩器.表2顯示了使用5MHzSC版本的260系列振蕩器在20年的使用壽命內(nèi)提供此類預(yù)算的示例.

未來發(fā)展

260系列振蕩器的未來改進(jìn)可能包括通過DDS提供調(diào)諧的產(chǎn)品版本.這具有消除由于調(diào)諧電路引起的溫度和老化影響的好處.另外,目前正在進(jìn)行一項(xiàng)充分了解濕度,壓力,振蕩器內(nèi)部氣體的熱系數(shù)以及熱滯后效應(yīng)的研究.

結(jié)論

從提供的性能數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論,260系列確實(shí)是替代a的可行選擇,其中低成本,出眾的熱穩(wěn)定性和相位噪聲是系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵.系統(tǒng)設(shè)計(jì)者需要考慮恒溫晶體振蕩器的熱環(huán)境以及電源和地線電阻的后果.還必須仔細(xì)檢查振蕩器頻率以獲得最佳性能.較低的頻率會導(dǎo)致更好的穩(wěn)定性,因?yàn)槭⑹?/span>”stiffer”或具有較大的dX/dF值.

米利倫OCXO晶振可最大程度替代銣振蕩器的有哪些方面