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更多>>康比電子介紹精密石英晶體振蕩器
來源：http://m.jqhs.com.cn 作者：康比電子 2018年12月10
自從使用石英晶振作為頻率控制裝置以來,人們一直在尋求提高其溫度穩(wěn)定性.在簡要回顧晶體振蕩器溫度補償的歷史之后,本文將描述TCXO溫度補償技術和相關晶體諧振器的現狀.當第一個晶體振蕩器在20世紀20年代制造時,僅有的晶體,如X切割晶體,顯示出較差的溫度性能.AT切割晶體的發(fā)展是使溫度補償可行的重要一步,[1].AT切割提供了以+25°C為中心的相對平坦的頻率-溫度曲線.直到大約20世紀40年代中期,晶體的老化和溫度特性還不足以進行精確校正,這符合[2].漏封裝導致老化漂移差,晶體板和晶片設計中的缺陷產生了具有嚴重活性下降和耦合模式的晶體[3].這產生了嚴重的頻率擾動,限制了任何補償嘗試的有效性.但是石英板設計和晶體封裝的進步,如冷焊支架,使得每天生產頻率相對于溫度曲線和老化速率低至1×10(或1×10pm)的晶體成為可能.
■熱敏電阻/電阻網絡
補償
熱敏電阻/電阻TxOs是50年來晶體振蕩器溫度補償的主要支柱.一個或多個熱敏電阻網絡產生的校正電壓抵消了壓控振蕩器的頻率-溫度變化.電壓可變電容變容二極管的引入,以及負溫度系數熱敏電阻的改進,使得能夠更精確地補償晶體[4].早在1961年,薪酬比率就達到了100比1以上.這表明在溫度范圍內峰峰值偏差為40ppm的晶體可以被混合
補償到0.4ppm的水平.如今,兩個數量級的比率大約是熱敏電阻/電阻補償的極限,盡管通過改進的自動化系統(tǒng)和計算機分析能力,達到這一水平變得更加容易.但是即使在今天,要達到高于0.5ppm的穩(wěn)定性,需要多次溫度運行和至少三個熱敏電阻的重復網絡調整.使用電阻微調或熱敏電阻靈敏度的數字調節(jié)實現補償過程自動化的一些嘗試在[5]中取得了一定的成功,但是這些配置不容易集成到小封裝尺寸要求中.
■數字溫度補償
到了20世紀70年代末,集成電路技術的進步使得利用模數轉換和固態(tài)存儲器實現補償系統(tǒng)成為現實[6].雖然以今天的標準來看,這些實現是粗糙的,但是數字TCXO晶振的性能超過了0.1ppm,是由包括洛克威爾•柯林斯和格林雷晶振工業(yè)公司在內的幾家公司生產的.多年來,開發(fā)了其他數字實現,其中許多具有嵌入式計算能力,便于校準和系統(tǒng)操作.一些采用了精心設計的溫度測量方案,如雙模晶體自適應溫度感應.雖然這些設計中的一些實現了0.05PPM或更高的溫度穩(wěn)定性,但是它們是1PPM
隨著大規(guī)模集成的能力不斷擴展,將溫度補償所需的更多功能納入單個IC成為可能.這導致了目前的ASICs的出現,這種ASICs只允許用兩個組件來構造精確的模擬TCXO:ASIC加上石英晶體.
TCXO應用中出現的最新設備是復雜的大規(guī)模集成電路,結合了精密模擬功能、非易失性數字存儲、變容二極管和RF振蕩器電路[7].圖2展示了通用設備的框圖.盡管第一代制造導致了相對較大的芯片,但幾何尺寸的減少產生了更小的集成電路,使得一個完整的精密TCXO能夠封裝在一個小至5032貼片晶振的封裝中.■多項式函數發(fā)生器
ASIC的核心是多項式函數發(fā)生器引擎.目標是產生一個溫度變化電壓,該電壓將與在整個溫度范圍內保持振蕩器頻率準確正常所需的VCXO電壓相匹配.從線性溫度傳感器開始,然后使用一系列模擬乘法,模擬高階多項式的系數.該功能描述為:
-f/f(T)=A0+a1(T-Ti)+a2(T-Ti)+a3(T-Ti)+a4(T-Ti)+a5(T-Ti)
其中A0至a5是要生成的多項式的系數,T是當前溫度,Ti是晶體的拐點溫度(晶體曲線相對于上下轉折點居中的溫度,通常在+26°C左右).
校準變量的調整范圍,以覆蓋AT切割晶振隨溫度變化的角度.所有溫度都參考晶體拐點溫度.系數值作為數字存儲在芯片上的非易失性寄存器中.雖然理想的AT晶體應該遵循三階曲線,但電路和晶體中的非線性要求包含高階項,以便獲得與所需補償電壓曲線的匹配.晶體拐點溫度在匹配曲線時很重要,并且是必須可編程的變量之一,以便使用更大范圍的晶體.一些小型帶狀晶體可能具有高達40°C的彎曲,這可能會使精確的曲線擬合變得困難.
■集成振蕩器功能
除了函數發(fā)生器,所有其他振蕩器功能都包含在最新的芯片中.精密低壓降(LDO)穩(wěn)壓器為所有片內電路供電.由于必須保持穩(wěn)定的電壓以實現所需的頻率穩(wěn)定性,精確的基準電壓源是必不可少的.低至+2.7Vdc的操作是可能的.
晶體振蕩器驅動電路是片上可編程晶體驅動電流,以適應一定范圍的晶體阻抗和頻率.調節(jié)振蕩器頻率的電壓可變電容器通常被實現為MOS結構,而不是傳統(tǒng)的摻雜結二極管.由于器件的低壓操作,需要相對高的調諧靈敏度,并且可能超過50ppm/V
由于晶體/振蕩器組合的性質,當考慮亞ppm水平時,有必要單獨測量和校準每個振蕩器.盡管給定批次中的大多數TCXO相似,但是當試圖將曲線匹配到百萬分之一以下時,沒有兩個是相同的.重要的是在感興趣的溫度范圍內主動對每個單元進行字符化,以便計算將加載到單元中的初始系數參數.
執(zhí)行要求運行,其中每個石英振蕩器在感興趣的溫度范圍內工作,同時確定保持輸出在標稱頻率上所需的VCXO控制電壓.然后,該數據被輸入到曲線擬合算法,該算法計算給出最佳匹配的多項式系數.這些系數值被加載到ASIC中,并進行另一次溫度測試,以確定頻率漂移是否在規(guī)定的允許范圍內.雖然根據具體情況,第一次運行時可能會獲得一些產量,但大多數單位都需要進行校正,然后重新驗證.這是由于初始測量的準確性和可重復性.
使用可編程的ASICs,自動測試系統(tǒng)被設置為在沒有操作員交互的情況下執(zhí)行所有這些功能.
■靜態(tài)頻率與溫度特性
可實現的頻率對溫度性能是多項式發(fā)生器產生的補償電壓曲線與VCXO振蕩器所需電壓匹配程度的函數.許多變量影響這種能力,包括VCXO的調諧線性度；哭的質量,即.它與理想AT曲線的接近程度；其他振蕩器部件的溫度系數；晶體的拐點溫度；
和電壓基準的穩(wěn)定性.圖3顯示了可以實現的頻率與溫度性能.
■溫度斜坡測試
在變化的溫度條件下發(fā)生的頻率偏移將根據溫度變化的方向和速率而變化.一個重要的特征是ASIC的晶體和溫度傳感器之間的緊密熱耦合.這種熱路徑對于微型封裝來說本來就很短,因為晶體和ASIC物理上很接近.正因為如此,大多數小型TCXOs都會表現良好.圖4
顯示了回轉溫度運行期間的20MHz振蕩器.紅色曲線顯示右側y軸上的腔室溫度4,藍色曲線是左側y軸上的振蕩器頻率.x軸將時間繪制為
溫度
標準化為讀數(每次讀數需要20毫秒).從+25°C開始,以8°C/分鐘的速度將腔室升至+90°C.穩(wěn)定后,它以相同的速度下降到-60℃.除了溫度超過補償范圍的熱端峰值之外,可以看出斜坡的影響很小,從相反方向的斜坡可以看出很少滯后.■擾動和微跳躍
TCXO晶體在歷史上一直受到其溫度性能異常的困擾,這些異常是由于空白設計或晶體加工和制造中的缺陷造成的.邊緣空白幾何形狀可導致可能接近期望模式頻率的其他振蕩模式的耦合.這些模式會干擾不同溫度下的振蕩器頻率,導致晶振電阻或“活動下降”增加,并導致頻率偏移.這些擾動通常發(fā)生在狹窄的溫度范圍內.電路可能會在這些點停止振蕩,或者在通電時不會啟動.■微跳躍
為了獲得最大的信心,當溫度從一個極端上升到另一個極端并返回時,每個振蕩器的頻率應該被持續(xù)監(jiān)控.這種類型的測試保證了存在的任何擾動或微跳躍都將被捕獲.圖5顯示了20MHzTCXO的篩選結果,該結果在8°C/分鐘斜坡曲線期間被監(jiān)控.在整個時間內,輸出頻率每秒連續(xù)記錄50次,讀數之間沒有停滯時間.藍線是連續(xù)讀數之間的差異圖,它突出顯示了任何瞬時跳躍.這種AT帶晶體在整個測試過程中沒有顯示出任何擾動和一些微小的跳躍,這表明TCXO具有卓越的性能.
大多數TCXO用戶關心的另一個參數是由老化引起的頻率的長期漂移.雖然其他振蕩器部件可能會導致老化,但在精心設計的振蕩器中,老化主要是由晶體引起的.晶體諧振頻率發(fā)生變化
因為質量轉移到石英坯件或從石英坯件轉移.安裝應力的松弛也會起到一定的作用.壓電石英晶體設計和加工的進步已經將老化能力降低到每年1ppm以下,即使對于小型封裝也是如此.振蕩器10年或20年預期壽命的長期預測可能低于5ppm,因為老化速率會隨著時間衰減.老化效應可以通過使用MIL-SPEC對數模型的曲線擬合外推來預測:
-f/f(t)=A0+a1ln(1+a2t)
其中t是以天為單位的時間,A0、a1和a2是為擬合樣本數據而調整的數值系數.
■加速度靈敏度
如果振蕩器的工作環(huán)境包括振動和沖擊水平,晶體的加速度或“g”靈敏度(g=9.8m/s)可能是一個重要參數.振動水平將調制輸出,從而在信號上產生噪聲邊帶.沖擊脈沖會在頻率上產生短暫的擾動,這對于鎖相環(huán)或類似電路可能會有問題.微型AT帶狀晶體可以被設計成對這些力提供低靈敏度.最差軸上低于每克5x10(或5x10pm)的水平通常用于關鍵應用.由于條形諧振器及其支座的設計,加速度的最差軸是可以預測的.向量總是指向垂直或z軸,幾乎直接垂直于晶體板.x軸和y軸的靈敏度非常低.這些晶體還能承受高度的煙火沖擊.一些已經測試到100,000克■未來趨勢
■熱敏電阻/電阻網絡
補償
熱敏電阻/電阻TxOs是50年來晶體振蕩器溫度補償的主要支柱.一個或多個熱敏電阻網絡產生的校正電壓抵消了壓控振蕩器的頻率-溫度變化.電壓可變電容變容二極管的引入,以及負溫度系數熱敏電阻的改進,使得能夠更精確地補償晶體[4].早在1961年,薪酬比率就達到了100比1以上.這表明在溫度范圍內峰峰值偏差為40ppm的晶體可以被混合
補償到0.4ppm的水平.如今,兩個數量級的比率大約是熱敏電阻/電阻補償的極限,盡管通過改進的自動化系統(tǒng)和計算機分析能力,達到這一水平變得更加容易.但是即使在今天,要達到高于0.5ppm的穩(wěn)定性,需要多次溫度運行和至少三個熱敏電阻的重復網絡調整.使用電阻微調或熱敏電阻靈敏度的數字調節(jié)實現補償過程自動化的一些嘗試在[5]中取得了一定的成功,但是這些配置不容易集成到小封裝尺寸要求中.
■數字溫度補償
到了20世紀70年代末,集成電路技術的進步使得利用模數轉換和固態(tài)存儲器實現補償系統(tǒng)成為現實[6].雖然以今天的標準來看,這些實現是粗糙的,但是數字TCXO晶振的性能超過了0.1ppm,是由包括洛克威爾•柯林斯和格林雷晶振工業(yè)公司在內的幾家公司生產的.多年來,開發(fā)了其他數字實現,其中許多具有嵌入式計算能力,便于校準和系統(tǒng)操作.一些采用了精心設計的溫度測量方案,如雙模晶體自適應溫度感應.雖然這些設計中的一些實現了0.05PPM或更高的溫度穩(wěn)定性,但是它們是1PPM
圖1.AT切割晶體基頻的特征溫度曲線族.
是較大且相對復雜的組件,通常存在虛假噪聲產生問題.■模擬積分隨著大規(guī)模集成的能力不斷擴展,將溫度補償所需的更多功能納入單個IC成為可能.這導致了目前的ASICs的出現,這種ASICs只允許用兩個組件來構造精確的模擬TCXO:ASIC加上石英晶體.
TCXO應用中出現的最新設備是復雜的大規(guī)模集成電路,結合了精密模擬功能、非易失性數字存儲、變容二極管和RF振蕩器電路[7].圖2展示了通用設備的框圖.盡管第一代制造導致了相對較大的芯片,但幾何尺寸的減少產生了更小的集成電路,使得一個完整的精密TCXO能夠封裝在一個小至5032貼片晶振的封裝中.■多項式函數發(fā)生器
ASIC的核心是多項式函數發(fā)生器引擎.目標是產生一個溫度變化電壓,該電壓將與在整個溫度范圍內保持振蕩器頻率準確正常所需的VCXO電壓相匹配.從線性溫度傳感器開始,然后使用一系列模擬乘法,模擬高階多項式的系數.該功能描述為:
-f/f(T)=A0+a1(T-Ti)+a2(T-Ti)+a3(T-Ti)+a4(T-Ti)+a5(T-Ti)
其中A0至a5是要生成的多項式的系數,T是當前溫度,Ti是晶體的拐點溫度(晶體曲線相對于上下轉折點居中的溫度,通常在+26°C左右).
校準變量的調整范圍,以覆蓋AT切割晶振隨溫度變化的角度.所有溫度都參考晶體拐點溫度.系數值作為數字存儲在芯片上的非易失性寄存器中.雖然理想的AT晶體應該遵循三階曲線,但電路和晶體中的非線性要求包含高階項,以便獲得與所需補償電壓曲線的匹配.晶體拐點溫度在匹配曲線時很重要,并且是必須可編程的變量之一,以便使用更大范圍的晶體.一些小型帶狀晶體可能具有高達40°C的彎曲,這可能會使精確的曲線擬合變得困難.
■集成振蕩器功能
除了函數發(fā)生器,所有其他振蕩器功能都包含在最新的芯片中.精密低壓降(LDO)穩(wěn)壓器為所有片內電路供電.由于必須保持穩(wěn)定的電壓以實現所需的頻率穩(wěn)定性,精確的基準電壓源是必不可少的.低至+2.7Vdc的操作是可能的.
晶體振蕩器驅動電路是片上可編程晶體驅動電流,以適應一定范圍的晶體阻抗和頻率.調節(jié)振蕩器頻率的電壓可變電容器通常被實現為MOS結構,而不是傳統(tǒng)的摻雜結二極管.由于器件的低壓操作,需要相對高的調諧靈敏度,并且可能超過50ppm/V
圖2集成TCXO專用集成電路
■校準和補償程序由于晶體/振蕩器組合的性質,當考慮亞ppm水平時,有必要單獨測量和校準每個振蕩器.盡管給定批次中的大多數TCXO相似,但是當試圖將曲線匹配到百萬分之一以下時,沒有兩個是相同的.重要的是在感興趣的溫度范圍內主動對每個單元進行字符化,以便計算將加載到單元中的初始系數參數.
執(zhí)行要求運行,其中每個石英振蕩器在感興趣的溫度范圍內工作,同時確定保持輸出在標稱頻率上所需的VCXO控制電壓.然后,該數據被輸入到曲線擬合算法,該算法計算給出最佳匹配的多項式系數.這些系數值被加載到ASIC中,并進行另一次溫度測試,以確定頻率漂移是否在規(guī)定的允許范圍內.雖然根據具體情況,第一次運行時可能會獲得一些產量,但大多數單位都需要進行校正,然后重新驗證.這是由于初始測量的準確性和可重復性.
使用可編程的ASICs,自動測試系統(tǒng)被設置為在沒有操作員交互的情況下執(zhí)行所有這些功能.
■靜態(tài)頻率與溫度特性
可實現的頻率對溫度性能是多項式發(fā)生器產生的補償電壓曲線與VCXO振蕩器所需電壓匹配程度的函數.許多變量影響這種能力,包括VCXO的調諧線性度；哭的質量,即.它與理想AT曲線的接近程度；其他振蕩器部件的溫度系數；晶體的拐點溫度；
和電壓基準的穩(wěn)定性.圖3顯示了可以實現的頻率與溫度性能.
■溫度斜坡測試
在變化的溫度條件下發(fā)生的頻率偏移將根據溫度變化的方向和速率而變化.一個重要的特征是ASIC的晶體和溫度傳感器之間的緊密熱耦合.這種熱路徑對于微型封裝來說本來就很短,因為晶體和ASIC物理上很接近.正因為如此,大多數小型TCXOs都會表現良好.圖4
顯示了回轉溫度運行期間的20MHz振蕩器.紅色曲線顯示右側y軸上的腔室溫度4,藍色曲線是左側y軸上的振蕩器頻率.x軸將時間繪制為
圖3.頻率與溫度的關系為20HzTCXO,間隔2°C.
溫度
標準化為讀數(每次讀數需要20毫秒).從+25°C開始,以8°C/分鐘的速度將腔室升至+90°C.穩(wěn)定后,它以相同的速度下降到-60℃.除了溫度超過補償范圍的熱端峰值之外,可以看出斜坡的影響很小,從相反方向的斜坡可以看出很少滯后.■擾動和微跳躍
TCXO晶體在歷史上一直受到其溫度性能異常的困擾,這些異常是由于空白設計或晶體加工和制造中的缺陷造成的.邊緣空白幾何形狀可導致可能接近期望模式頻率的其他振蕩模式的耦合.這些模式會干擾不同溫度下的振蕩器頻率,導致晶振電阻或“活動下降”增加,并導致頻率偏移.這些擾動通常發(fā)生在狹窄的溫度范圍內.電路可能會在這些點停止振蕩,或者在通電時不會啟動.■微跳躍
圖4.C/分鐘溫度斜坡期間的20HzTCXO頻率.
另一個可能在溫度上出現的不一致是頻率的跳躍或階躍偏移.這些偏移很小,通常在正常TCXO測試中不會觀察到.很多時候,TCXOs只在溫度范圍內的6到8點進行測試.在這種情況下,許多擾動和跳躍都不會被察覺.在這種類型的不規(guī)則性對系統(tǒng)性能至關重要的應用中,應該在更多的點上測試振蕩器.以28個間隔進行測試是一個很好的折衷方案,可以在不增加測試時間的情況下捕捉大多數擾動.為了獲得最大的信心,當溫度從一個極端上升到另一個極端并返回時,每個振蕩器的頻率應該被持續(xù)監(jiān)控.這種類型的測試保證了存在的任何擾動或微跳躍都將被捕獲.圖5顯示了20MHzTCXO的篩選結果,該結果在8°C/分鐘斜坡曲線期間被監(jiān)控.在整個時間內,輸出頻率每秒連續(xù)記錄50次,讀數之間沒有停滯時間.藍線是連續(xù)讀數之間的差異圖,它突出顯示了任何瞬時跳躍.這種AT帶晶體在整個測試過程中沒有顯示出任何擾動和一些微小的跳躍,這表明TCXO具有卓越的性能.
圖5.連續(xù)頻率采樣之間的第一個差異.
圖6放大了3059號讀數周圍的區(qū)域.y軸是赫茲的頻率,表示大約10ppb的步長.這些小步驟是相當可重復的,盡管當溫度向相反方向旋轉時,它們可能不會出現.■老化大多數TCXO用戶關心的另一個參數是由老化引起的頻率的長期漂移.雖然其他振蕩器部件可能會導致老化,但在精心設計的振蕩器中,老化主要是由晶體引起的.晶體諧振頻率發(fā)生變化
因為質量轉移到石英坯件或從石英坯件轉移.安裝應力的松弛也會起到一定的作用.壓電石英晶體設計和加工的進步已經將老化能力降低到每年1ppm以下,即使對于小型封裝也是如此.振蕩器10年或20年預期壽命的長期預測可能低于5ppm,因為老化速率會隨著時間衰減.老化效應可以通過使用MIL-SPEC對數模型的曲線擬合外推來預測:
-f/f(t)=A0+a1ln(1+a2t)
其中t是以天為單位的時間,A0、a1和a2是為擬合樣本數據而調整的數值系數.
■加速度靈敏度
如果振蕩器的工作環(huán)境包括振動和沖擊水平,晶體的加速度或“g”靈敏度(g=9.8m/s)可能是一個重要參數.振動水平將調制輸出,從而在信號上產生噪聲邊帶.沖擊脈沖會在頻率上產生短暫的擾動,這對于鎖相環(huán)或類似電路可能會有問題.微型AT帶狀晶體可以被設計成對這些力提供低靈敏度.最差軸上低于每克5x10(或5x10pm)的水平通常用于關鍵應用.由于條形諧振器及其支座的設計,加速度的最差軸是可以預測的.向量總是指向垂直或z軸,幾乎直接垂直于晶體板.x軸和y軸的靈敏度非常低.這些晶體還能承受高度的煙火沖擊.一些已經測試到100,000克■未來趨勢
圖6.10ppb微跳轉的擴展視圖.
由于基本的TCXO架構已經集成到單個IC中,這適用于許多應用,進一步減小精密振蕩器的尺寸將需要更小的諧振器.盡管體模石英晶體諧振器可以做得很小,但物理限制使得可用器件無法制作到一定尺寸以下.表面貼裝封裝具有3.2mm×5mm或更小的占地面積(圖7),具有合理的運動參數和穩(wěn)定性.但是,遠遠超過這個水平的減少可能需要諧振器技術的進步.硅微加工諧振器可以在與振蕩器電路[9]相同的管芯上制造.盡管這些振蕩器還沒有達到精確TCXO的穩(wěn)定性,但是進一步的改進是針對這個目標的.這些設備可能很快開始取代低端,大容量應用中適用于無線,有線電話,航空航天,軍事,衛(wèi)星和其他通信市場的精密石英振蕩器.
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