米利伦OCXO晶振可最大程度替代铷振荡器的有哪些方面

绝大部分人都没有听过什么是铷振荡器,它的全名是铷原子振荡器,从名称上看就知道这种晶振的原材料绝不是石英或硅晶,而是应用一种新型的陶瓷填充,利用其微波腔有效的减小物理部分体积.它的做种有很多,比如可以缩小体积,寿命加长,成本低,低老化率,极高的稳定性和非常低相位噪声等,但同样也有致命的弱点.由于技术和材料限制了大量生产的需求,制造过程也比较复杂与普通的振荡器差别较大,但是部分特殊产品非常需要铷振荡器,却极少有晶体制造商可以大量的供应.

为了提供铷振荡器的替代品,MTI-Millien晶振公司设计并开发了一种超稳定的恒温晶体振荡器(260系列).该振荡器已被开发用于保持铷振荡器的可比性能参数至关重要的应用中,而不会出现较高的成本和可能对系统设计目标造成损害的固有磨损现象.精密石英晶体振荡器在满足从卫星通信系统到电话基站和数字电话网络等各种应用需求方面发挥着至关重要的作用.这些应用中的每一个都对现有的频率源提出了严格的要求,不仅是为了性能,也是为了降低成本.

铷振荡器在很大程度上满足了许多最严格的性能要求.然而,铷振荡器还不能满足一些关键领域.它们是:热稳定性、功耗、可靠性、使用寿命、尺寸和成本.另一方面,石英振荡器通常没有这些缺点.然而,石英晶体振荡器还没有达到铷振荡器性能的两个参数是老化和预热.对于低老化率至关重要的应用,可以使用铯、铷或全球定位系统等主要频率标准来控制石英振荡器并补偿这一特性.

260系列是利用SC切割石英谐振器结合双炉技术开发的,以提供在许多方面与铷振荡器相当的性能特征.开发260系列振荡器的主要设计目标是:

卓越的热稳定性

低相位噪声

低功耗

缩小尺寸

可制造性和一致性

低成本

20年寿命

设计和施工

必须实现总体尺寸小的基本设计目标,以便在预热和连续运行期间将功率降至最低.它还将支持低零件数量的目标,从而降低成本,同时带来更适合大规模制造环境的设计. 

图1:260系列结构框图

为达到所需的热稳定性

<2e-10/100℃和低相位噪声,260系列设计采用封闭在双炉中的SC切割石英晶体.图1显示了振荡器的结构框图.石英晶体和维持电路位于内部烤箱内部.然后,内部烤箱组件被第二个外部烤箱组件包围.这为石英晶体和振荡器组件提供了高度稳定的温度控制外壳,从而具有出色的热稳定性能和低相位噪声,尤其是在距载波频率低于1Hz的频率下.如图1的方框图所示,内部烤箱控制和输出放大器电路也被外部烤箱组件包围.这通过减少温度变化对内部烤箱控制和放大器电路的影响,提供了更好的热稳定性.

对比

过去几年,the振荡器的开发取得了进展-主要是在减小尺寸方面.但是,of振荡器的性能仍然存在某些固有的缺点.这种缺点的例子是are灯的寿命有限,振荡器的总质量,热稳定性,相位噪声和功耗等.

260系列尺寸为50.8mmx50.8mmx38.1mm(0.098cm3),重量为150g.这种微型封装在in振荡器欠缺的上述区域提供了卓越的性能.例如,在-30℃~+70℃的温度范围内,10MHz(利用5MHz晶体,然后将其倍增)的260系列振荡器的热稳定性为<2e-10,<-100dBc/Hz在1Hz偏移相位噪声特性和<5e-11/天老化率归属下.相比之下,在-10℃~+60℃的温度范围内,相同参数的典型Rub时钟的性能<2e-10,在1Hz偏移下<-85dBc/Hz,<2e-12/day分别.260系列振荡器的老化速率以<5e-11的速率进行测量并提供,但目前许多5MHz单元在连续运行1到2个月后达到的速率低至2到5e-12/天.表1提供了使用10MHzSC切割石英晶体的260系列振荡器与各种against振荡器制造商发布的一些性能结果的比较.

从表1中的数据可以看出260系列振荡器的性能是可比的,在某些情况下还超过了a振荡器的性能.这使得260系列成为替代of振荡器的可行选择,特别是在提高热稳定性和降低成本方面.对于无法在振荡器老化率之间做出折衷的应用,可以将260系列与主频率标准(例如LoranC,T1信号,GPS等)结合使用,以规范振荡器,以提高长期稳定性.稳定性能.总体结果可以是具有出色的石英短期稳定性与铯原标准的长期稳定性的频率参考.石英振荡器具有滤波功能,可以很大程度地消除传输介质的较大抖动.

测试方法和结果

迄今为止,已经制造出4至20MHz之间的各种频率的振荡器.5MHz和10MHz的频率构成了具有统计意义的总体.讨论的测试结果针对这两个频率的有源晶振.在生产过程中,将对每个振荡器的以下参数进行性能评估:热稳定性,老化,相位噪声,短期稳定性和电源电压灵敏度.接下来是对这些参数的详细讨论.

热稳定性

在几周内,温度通常是石英振荡器不稳定的最大原因.260系列振荡器采用双烤箱配置,可以大大减弱较大的环境温度变化.热敏的维持振荡器电路和石英晶体被放置在内部烤箱中,从而使环境温度变化的影响最小化.

例如,如果外部烤箱控制电路能够将环境温度变化衰减100倍,然后再加上类似的内部烤箱增益,则理想情况下,内部烤箱内部的温度变化将衰减10,000倍.环境温度的变化.因此,对于100℃的环境温度变化,示例中内部烤箱内部的温度仅变化0.01℃.我们可以进行一些粗略的计算,以了解振荡器电路和使用上述烤箱控制电路稳定的石英晶体的预期热性能.

假设烤箱的温度可以设置在晶体转折点的0.1℃以内,则具有86℃转折点的5MHzSC切割晶体的温度系数可以近似为8e-10/℃.组件的温度系数估计为1e-09/℃.因此,对于烤箱温度0.01℃的变化(由于环境温度变化100℃),OCXO振荡器的热稳定性能可能为8e-12+1e-11=1.8e-11. 

图2:5MHz振荡器的热稳定性 

图3:10MHz振荡器的热稳定性

振荡器在整个温度范围内的性能表现为以10℃为步长将环境温度从最低指定温度扫描到最高指定温度.然后将温度扫回到图2和图3右轴所示的最小值.在25℃初始温度点和最终温度点之间测得的频率差用于抵消振荡器频率的任何漂移.假设在测试时间内线性频率漂移.图2和图3分别显示了5MHz和10MHz振荡器的热稳定性能.

老化

装运前要确定每个振荡器的日漂移率.这可以通过将设备通电10到20天不等来实现.在此期间,大约每2小时会主动收集每个单元的数据.每个读数是10次频率测量的平均值,且门时间为1秒.通过将直线统计地拟合到全部或部分数据集来确定测得的漂移率. 

图4:5MHz振荡器的老化特性

5MHz振荡器经过408天的老化结果如图4所示.该振荡器的老化速率为每天4.8e-12.对于图5中的10MHz振荡器,老化速率为3.3e-11/day.这两个图中显示的测量不是在同一时间段内进行的. 

图5:10MHz振荡器的老化特性

图4所示数据的跳跃是由于电源故障时间延长所致.有趣的是,在前两个电源中断期间,该振荡器的初始回扫值为8e-10,但是,在连续运行约60天后,回扫值减小为2e-10.在图5中,在第70天出现了无法解释的6e-9频率跳变.在此状态下,贴片振荡器以相同的速率持续老化75天.此时,频率跳回到原始的老化曲线.频率偏移的原因未知.每种情况下的跳动可能都是由电源中断引起的.呈现的老化数据代表有关电源中断和室温,湿度和±5℃温度下正常环境波动的现实情况.这些单位位于生产车间,因此也经历了大量的人类活动.

相位噪声 

图6:5MHz振荡器的相位噪声结果 

图7:10MHz振荡器的相位噪声结果

在HP3048A测试系统上使用两个类似的振荡器进行相位噪声测量.图6和图7分别显示了5MHz和10MHz振荡器的典型相位噪声结果.所显示的曲线图并不能说明均等的信号源,因此,各个单元的实际性能比图中显示的结果小3dB.

短期稳定性

短期稳定性测量结果来自使用HP3048A系统进行的相位噪声测量.5MHz和10MHz振荡器的sy(t)分别如图8和图9所示. 

图8:5MHz振荡器的短期稳定性 

图9:10MHz振荡器的短期稳定性

电源电压灵敏度

通过将电源电压从标称工作值改变±5％,对每个振荡器进行电源电压灵敏度测试.然后通过以10秒的门间隔平均10个样本来获取频率读数.图10和11分别显示了5MHz和10MHz振荡器的电源电压灵敏度.从图10和图11的图表可以看出,5MHz和10MHz振荡器的典型性能分别为<2e-11和3e-11.测量分辨率限制在2e-11左右,因此5MHz振荡器的实际性能尚未得到精确测量. 

图10:5MHz振荡器的电源电压灵敏度 

图11:10MHz振荡器的电源电压灵敏度 

图12:5MHz振荡器的预热 

图13:5MHz振荡器的预热(放大) 

图14:10MHz振荡器的预热 

图15:10MHz振荡器的预热(放大)

预热测试是许多应用的重要参数,下面提供了该测试的数据.通过关闭设备电源约24小时,对振荡器进行预热.然后打开这些单元的电源,并以1秒的门控间隔进行频率测量.测试运行60分钟,是指定预热时间的4倍.预热df/f是指60分钟时的频率.

表3显示了28个MTI型号260-0504(5MHz)和36个260-0502(10MHz)的贴片晶振生产测试结果的统计报告.设计使用高精度振荡器的系统需要仔细考虑周围环境电子产品.两个这样的示例是热设计考虑因素和电路走线电阻.忽略这些设计问题往往会损害振荡器的全部性能. 

热设计

为避免损害任何由烤箱控制的晶体振荡器的热稳定性能,请勿将其与大型散热器接触,例如紧靠设备机箱(除预期的安装配置外)或与通风风扇并排放置.振荡器产生的过多热量可能会导致工作环境不同于“测试”环境.结果可能会导致用户的配置与制造时测得的热稳定性之间的相关性差异.

相反,振荡器也不能过度绝缘.例如,如果将振荡器周围的绝缘提高3倍,则内部电路产生的热量也会使振荡器的内部温度也升高3倍.这具有降低较高的环境工作温度的不良作用.

接地回路

一个更细微的设计问题(也往往会损害振荡器的整体性能)是从电源到振荡器接地引脚的PCB走线电阻.环境温度的变化会导致振荡器电源电流发生较大变化.结果,相对于电源接地引脚,振荡器接地引脚的视在接地电压电平存在波动.但是,如果内部参考振荡器接地引脚并消耗微不足道的电流的电调谐电压输入引脚直接返回电源,则结果将是振荡器接地引脚与其调谐输入引脚之间的电压差.其结果等同于施加与温度成比例的调谐电压来调谐振荡器.

工作频率与性能

石英振荡器的许多工作特性可以通过选择工作频率来确定.决定许多振荡器规格的基本参数是石英的电抗与频率斜率ordX/dF值.通过以下等式可以近似得出:

dX=4×p×L1

其中L1=石英晶体的运动电感.该参数取决于晶体的几何形状和电极尺寸,并因此取决于石英晶体的频率.

使用dX/dF值小的晶体的振荡器更容易受到频率变化的影响,因为只需要电路电抗的微小变化即可产生频率偏移.对于10MHzSC谐振器,与5MHz谐振器的dX/dF为130W/Hz相比,该值约为18W/Hz.这意味着5MHz振荡器比10MHz振荡器受外部影响的频率变化的影响小10倍18=7.2.

例如,考虑在贴片进口振荡器的调谐电路中使用一个15mH的电感器,该电感器在振荡器的整个使用寿命内变化1％.该电感器在10MHz时的电抗变化为:

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

类似地,对于具有30mH(用于产生与上述相同的电抗变化的非标准值)的5MHz振荡器,其变化为1％是7.

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

由于温度,湿度,元件老化等导致振荡器电路电抗的任何变化,与工作在较高频率(dX/dF/d)的振荡器相比,运行在较低频率(dX/dF)的振荡器的频率变化较小.dF).

还必须注意,按照上面概述的相同原理,5MHz振荡器的可用调谐范围将比10MHz振荡器小得多.但是,如果仅将调谐范围用于调节振荡器,则不必担心,因为可用的调谐范围将与振荡器寿命内预期的频移大致成正比,这可以从5MHz的更好性能中看出.与10MHz振荡器相比,它在热稳定性,老化,相位噪声,电源电压灵敏度等方面具有优势.

稳定性预算

稳定性预算是确定系统寿命期间振荡器总体稳定性要求的有用工具.

表2:稳定性预算

结合使用稳定性预算以及对晶体频率的基本了解以及由此产生的振荡器性能折衷,有助于选择适合应用的类型振荡器.表2显示了使用5MHzSC版本的260系列振荡器在20年的使用寿命内提供此类预算的示例.

未来发展

260系列振荡器的未来改进可能包括通过DDS提供调谐的产品版本.这具有消除由于调谐电路引起的温度和老化影响的好处.另外,目前正在进行一项充分了解湿度,压力,振荡器内部气体的热系数以及热滞后效应的研究.

结论

从提供的性能数据可以得出结论,260系列确实是替代a的可行选择,其中低成本,出众的热稳定性和相位噪声是系统设计目标的关键.系统设计者需要考虑恒温晶体振荡器的热环境以及电源和地线电阻的后果.还必须仔细检查振荡器频率以获得最佳性能.较低的频率会导致更好的稳定性,因为石英是”stiffer”或具有较大的dX/dF值.

米利伦OCXO晶振可最大程度替代铷振荡器的有哪些方面