恒温晶体振荡器恒温稳定时间和稳态

  石英晶体振荡器按照不同的性能进行细分类,普通有源晶振,电压控制晶体振荡器,温度补偿晶体振荡器,恒温控制晶体振荡器,差分信号晶体振荡器等不同的性能类别石英晶体振荡器.龙湖电子该篇文章要讲的是关于利用恒温槽使晶体振荡器或石英晶体振子的温度保持恒定,将由周围温度变化引起的振荡器输出频率变化量削减到小的恒温晶体振荡器，

恒温控制的晶体振荡器

  在OCXO中,晶体和其他温度敏感电路被置于温度控制结构中.我们的想法是将晶体保持在高于OCXO暴露的最高环境温度的稳定温度.为获得最佳效果,将恒温槽设置为谐振器周转温度.可以使用AT切割或SC切割晶体谐振器.SC切割石英晶振提供最佳的整体性能,而AT切割提供更低的成本.

  控制温度的主要原因是消除温度引起的异常的影响.所有石英晶体谐振器都与那些仅允许补偿(或可预测性)在±0.1ppm之内的热异常相关联.另一个原因是允许使用不太可拉动但非常稳定的较高泛音晶体通过控制温度设定在特定频率.较高泛音晶体的使用还导致由于谐振器的Q值较高而导致短期稳定性提高,并且由于谐振器的石英质量增加而改善了长期性能.

  OCXO恒温晶体振荡器的最大优点是其稳定性,这是其他晶体振荡器类型无法比拟的.OCXO的频率与温度稳定性取决于谐振器的静态和动态F与T特性,OCXO的设计温度范围,恒温和支持电路中元件的稳定性,以及其精度将恒温设定为谐振器的周转温度.典型的分数稳定性范围可以从±20ppb(±20E-9)到±100ppb.这种稳定性可在-40℃至+85℃的温度范围内有效.可在较窄的温度范围内获得稳定性.

  OCXO晶振的主要缺点是功耗,单元尺寸,预热时间和成本.所需的恒温槽功率主要取决于所用绝缘材料的质量和恒温槽与外部环境之间的温差.增加绝缘量以减少热量损失需要增加尺寸,从而在功率和尺寸之间进行权衡.预热时间是烤箱达到工作温度和稳定频率所需的时间.它在很大程度上取决于可用功率,烤箱的热质量,绝缘质量和环境温度.典型的预热时间为15秒至5分钟.

设置恒温温度

  恒温工作温度(晶体转换温度)必须比振荡器工作的最高环境温度高几度,以便恒温可以保持良好的控制(考虑到振荡器本身产生的内部热量上升).

  然而,存在与高炉温操作相关的缺点.首先,晶体的频率与温度特性更加清晰,更高的周转晶体导致对炉温的微小变化更敏感.其次,更重要的是,随着温度的升高,晶体老化会降低.因此,在设计恒温控制晶体振荡器时,人们在确定所需的炉子工作温度方面面临着妥协;它应尽可能低,但必须足够高,以便在最高环境工作温度下提供良好的控制.

水晶谐振器的预热

  当例如热量通过安装夹子流入或流出谐振器板的有源区域时,改变晶体单元周围的温度会产生热梯度.静态F对T特性由热梯度引起的应力引起的热瞬态效应修改.当恒温晶体振荡器打开时,可能会产生明显的热瞬态效应.

  对于使用AT切割谐振器的OCXO,晶体谐振器频率随着烤箱升温而迅速降低.这仅仅是因为AT切割晶体的频率在室温下比在其上部周转温度下高得多.在标准的OCXO中,烤箱平衡10到15分钟,但AT切割晶体的热梯度产生大的频率下冲(橡皮筋效应),在烤箱达到平衡几分钟后退火到其最终频率.通常,在开启后30分钟内实现相对高的稳定性,并且在特殊的快速预热设计中,这个时间可以减少到不到5分钟.另一方面,SC切割晶体被”应力补偿”,从而对这种热瞬态引起的应力不敏感,

恒温稳定性

  恒温的稳定性取决于OCXO以外的温度范围和恒温的热增益.热增益定义为外部到内部温度偏移比.例如,如果在-40oC至+60oC的外部温度偏移期间,恒温槽内的温度变化0.1oC,则热增益为103.此外,热瞬态效应使得使用AT切割谐振器实现小型烤箱偏移比使用SC切割设计更困难和耗时.

  当所需的温度稳定性超过标准比例控制的恒温可以达到的温度稳定性时,可以使用双炉系统,其中标准恒温容纳在第二恒温槽内.然后外部烘箱将环境温度变化缓冲到内部烘箱,其包含振荡器电路.

稳定时间和稳态

  这定义为长时间关闭后达到一定稳定水平所需的时间.烤箱功率达到规定的最大值,然后在烤箱达到其工作温度时切断回到稳定状态.OCXO的功耗在预热时通常为5W左右,在稳定状态下为1.5W,具体取决于尺寸.

追溯

  Retrace是电源施加后的频率误差,与之前的值和电源去除前的老化率相比较.在测量回扫时,OCXO晶振断电的正常时间为24小时,正常通电时段有足够的时间来完成热平衡.通过适当设计振荡器,烘箱机构和晶体谐振器可以获得良好的回扫.这是±20到±50ppb的量级.从晶体到晶体的这些特性存在显着差异.除了上述与晶体相关的影响之外,来自加热和冷却炉结构的热应力也可以有助于回扫和老化速率的变化.在大多数应用中,OCXO持续通电.在这种情况下,老化是关键特性,关断/开启特性几乎没有意义.但是,当应用程序需要频繁关闭时,应考虑其他一系列特性(如Retrace).

双旋转(SC切割)晶体

  虽然大多数高稳定性晶体振荡器使用AT切割晶体,但SC切割晶体通常用于最高稳定性的OCXO模型.SC切割晶体是双旋转晶体族之一(相对于三个晶轴中的两个以一定角度切割的石英晶体).家族中的其他人包括IT切割和FC切割.SC切割代表了最佳的双旋转设计,因为其特定的角度提供了最大的应力补偿.以下是双旋转和AT切割晶体之间的比较.

SC切割晶体的优点:

  改善老化-对于给定频率和泛音(例如10MHz,3rd泛音),SC切割晶体相对于AT切割提供2至3倍的老化改善.

  热瞬态补偿-允许在OCXO中更快地预热

  相位噪声-对于特定诶SMD晶振体频率和谐波的特定振荡器设计,SC切割晶体提供更高的Q值和相关的改善的相位噪声特性.

  平面应力补偿-由于边缘力和弯曲引起的频率变化较小

  静态和动态F与T-允许更高的稳定性OCXO和MCXO

  更好的F与T重复性-允许更高的稳定性OCXO和MCXO

  活动减少的次数要少得多

  降低驱动水平灵敏度

  对辐射的敏感度较低

  SC切割晶体的缺点:

  成本-由于在制造SC晶体时围绕两个轴的严格控制的角度旋转与AT的一个轴相关的困难,SC晶体的成本明显高于相同频率和泛音的AT.

  可滑动性-SC晶体的运动电容比相同频率和泛音的AT的运动电容小几倍,从而降低了”拉”晶体频率的能力.这限制了SC晶体在传统的TCXO晶振和VCXO中的使用,甚至在需要能够在任何显着程度上偏离振荡频率的炉控振荡器中.

  艾伦方差

  AllanVariance,也称为短期稳定性,是时域中振荡器稳定性的衡量标准.它测量连续频率测量中的RMS变化,以获得短的门控时间(毫秒到秒),并且在时序应用中非常重要.它通常随着栅极时间的增加而改善,直到它成为振荡器的中长期漂移的量度.该漂移或者是振荡器的温度系数和/或老化的结果.10MHzOCXO的典型数字如下表所示.