采用SC切割的OCXO振荡器优缺点及电路特性

如果你要问我哪家OCXO振荡器做得比较好,那么我会给你推荐美国Vectron International公司生产的,因为这家品牌在国际上也是非常有知名度的,主要研发,生产,制造和销售各种石英晶体和石英晶体振荡器产品.专业并专注于频率控制元器件,因此品质和技术完全不用担心,OCXO晶振是Vectron公司近年来大力发展的产品模块,不断开发出高品质,高性能,多用性,低功耗,低相位噪声,低时钟抖动的OCXO系列.

如果稳定性要求过于严格,基本的晶体振荡器或TCXO晶振无法满足要求,则晶体和关键电路可以通过烤箱进行温度控制.Vectron恒温箱晶体振荡器的框图类似于Vectron-TCXO的框图,除了删除了变容二极管和相关的热敏电阻补偿网络,而振荡器由比例控制的恒温箱来控制.

比例烤箱控制

比例控制是一种电子伺服系统,可连续为烤箱供电.它会改变烤箱的功率,从而不断补偿环境温度的变化.在许多Vectron烤箱控制的振荡器中,热敏电阻被热沉到烤箱的金属外壳上以感应温度.热敏电阻是电阻桥的一个分支,如下图所示. 

电桥的工作方式是,如果由于环境温度的变化导致烤箱温度降低,则热敏电阻的变化会导致电桥不平衡,从而导致电桥输出电压升高.该电压在高增益差分放大器中被放大.差分放大器的输出在功率放大器中进一步放大,该功率放大器直接驱动到烤箱绕组中.因此,由电桥不平衡引起的小电压升高会在烤箱绕组上产生大的电压升高.烤箱功率的增加会产生更多的热量,以补偿最初由热敏电阻感应到的温度下降.同样,烤箱温度升高会导致桥式输出电压降低,从而导致烤箱功率降低,补偿温度降低.

在某些Vectron-OCXO中使用的此设计的替代方法是,将功率放大器的热量沉入烤箱壳体作为传热机制,以代替加热器绕组.概念是相同的,唯一的不同是通过车辆将热量施加到烤箱的车辆.相对于晶体固有的稳定性,采用比例控制的烤箱可以提高振荡器的温度稳定性5000倍以上(例如,在0-50℃时从±1x10-5到±1x10-9).但是,烤箱控制系统并不完美,因为(a)开环增益不是无限的;(b)烤箱内有内部温度梯度;(c)烤箱外的电路会受到环境温度的变化,“拉”频率.因此,环境温度的变化将导致烤箱温度的微小变化. 

设定烤箱温度

如上图所示,设定烤箱的实际温度对于最大程度地减少环境温度变化的影响至关重要.请参见图2,如果将烤箱温度设置为指定的(1)点,并且周围温度导致烤箱温度从A变为B,将导致X幅度的频率变化.但是,如果将烤箱温度设置为较高的转换点(2),则相等的温度变化(C到D)将导致频率(幅值Y)的变化明显减少.因此,每个Vectron烤箱都单独设置为所容纳晶体的周转温度.这可以通过调节电位器来完成,如图1所示,该电位器为电桥的一个分支.

用AT切割晶体进行热身

最初在室温下打开振荡器时,相对于烤箱稳定后的输出频率,该频率非常高,通常为30x10-6.这完全是由于以下事实:AT切割晶体的频率在室温下要比其较高的周转温度高得多.随着烤箱预热,晶体频率迅速降低.在标准Vectron晶振中,烤箱平衡在10-15分钟之内,但晶体表现出橡皮筋效应,并在稳定之前按图3超出其最终频率.通常,开机后30分钟内会达到较高的稳定性;在特殊的快速热身设计中,此时间可以减少到不到5分钟. 

周转温度

烤箱的工作温度(晶体转换温度)必须比振荡器要工作的最高环境温度高几度,以便烤箱可以保持良好的控制(考虑振荡器自身产生的内部热量上升).然而,在高烤箱温度下操作存在一些缺点.首先,随着周转率越高的晶体,晶体的频率随温度变化特性越清晰,从而导致对烤箱温度的微小变化更加敏感,如图4所示. 

其次,更重要的是,晶体老化(如下所述)随着温度的升高而降低.因此,在设计烤箱控制的晶体振荡器时,在确定期望的烤箱工作温度时面临着一种折衷.它应尽可能地低,但必须足够高以在最大环境工作温度下提供良好的控制.

稳定性

A.老化-老化是指晶体振荡器频率随时间连续变化,所有其他参数保持恒定.在交付之前,对每个Vectron烤箱控制的振荡器进行预老化,直到达到指定的老化率.老化率通常与稳定性一词同义.因此,有时将老化速率为每天10-8的一部分(1x10-8/天)的振荡器称为108振荡器的一部分.这是不正确的术语,因为老化率(长期稳定性)必须参考时间,并且仅代表振荡器稳定性的一个方面.

B.温度稳定性-如前所述,因为没有烤箱控制系统是完美的,所以环境温度的变化会导致输出频率的变化很小.频率偏移是振荡器的老化曲线的偏移量.与正常老化特性的偏差与时间无关,而是固定的偏移量.因此,对于给定的温度变化,频率偏移与温度的关系(温度稳定性)例如为5x10-9/天,而不是5x10-9/天.该特性如下所示. 

环境温度变化不会产生磁滞效应;也就是说,如果环境温度发生变化,然后又返回到原始温度,则最终频率将基本上是没有环境温度变化时所产生的频率.当所需的温度稳定性超出了使用标准比例控制烤箱所能达到的温度稳定性时,可以使用双烤箱系统,其中将标准烤箱容纳在第二烤箱内.然后,外部烤箱缓冲环境温度变化到内部烤箱,内部温度包含振荡器电路.

C.重新稳定化和回扫-当关闭晶体振荡器一段时间后再打开时(如在出厂时发生的情况),晶体需要重新稳定化周期.该特性与初始工厂时效特性相似,但是由于晶体已经在工厂中进行了时效处理,因此可以更快地实现高稳定性.在大多数应用中,烤箱控制的晶体振荡器会持续通电.在这种情况下,老化是至关重要的特性,而关/开特性几乎没有意义.但是,某些应用要求经常将烤箱控制的晶体振荡器断电并重新通电(应尽可能避免这种做法).当应用需要频繁关闭时,应考虑其他一系列特性. 

在图6中,假设振荡器被通电直到时间T2,然后关闭一段时间,然后在时间T3再次打开.然后,三个特征可能很重要:

1.振荡器在关闭后(打开后的指定时间)返回输出频率的接近程度.这称为回扫特征.T4处的回扫误差=f1-f3.

2.在烤箱稳定后的一段时间内,频率会变化多少.这称为重新稳定化或预热特性.从T4到T5的重新稳定化速率=(f3-f2)/(T5-T4)

3.振荡器在指定的关断时间后需要多长时间才能达到规定的老化速率(这称为”重老化”).许多因素都会影响回扫,可再稳定化和重老化特性.正确的电路设计和元件选择将其影响最小化,从而留下(1)晶体,(2)振荡器开启之前的关闭周期长度是主要因素.这些特性在晶体之间存在很大的差异,只有在绝对需要时才应指定它们,然后仅在需要时才指定它们,因为该领域的”严格”规范由于产量低而对振荡器成本产生重大影响.这些特性对石英晶体振荡器几乎没有影响持续通电.

双旋转(SC和IT切割)晶体

尽管大多数高稳定性晶体振荡器使用ATCut晶体,但SC和ITCut晶体通常用于最高稳定性模型中.SC切割晶体是双旋转晶体家族中的一种(石英晶体相对于三个晶体学轴中的两个以一定角度切割).该系列中的其他产品包括ITCut和FCCut.SCCut代表了最佳的双旋转设计,因为其特殊的角度可提供最大的应力补偿,但ITCut可获得类似的性能.

以下是两次旋转(为方便起见简称为SC)和ATCut晶体之间的比较.

SC晶体的优势:

1,改善衰老对于给定的频率和泛音(例如10MHz,第三泛音),SC晶体相对于AT晶体具有2:1到3:1的老化改善.

2.热身在具有给定烤箱设计和开启功率的烤箱控制振荡器中,SC晶体比AT晶体用更少的时间即可达到其”最终频率”.

3,相位噪声对于给定的振荡器设计,晶体频率和泛音,SC晶体可提供更高的Q值和相关的改善的相位噪声特性.这种改进主要适用于载波附近,因为本底噪声是由电路设计而非晶体决定的.

4.高工作环境温度.图7显示了AT,IT和SC晶体的相对频率-温度特性.AT晶体的较高温度转换点(图7中的”A”)和SC晶体的较低温度转换点(图7中的”B”)在70℃~90℃的温度范围内最佳.基于(a)最高工作环境温度与晶体转换温度之间的理想10℃差异,以及(b)晶体转换温度的制造公差,这些石英晶体最适合50℃的最大工作环境温度C~+75℃.但是,IT晶体的较高温度转换点(图7中的”C”)非常适合高温操作,因此,IT晶体是最高工作温度在85℃的高稳定性烤箱控制振荡器的合理选择.0~+95℃范围.请注意,虽然SC和IT晶体曲线在高温下相对平坦,但它们的频率在低温下会迅速下降.因此,尽管它们在高稳定性HIF恒温振荡器控制的振荡器中发挥良好的作用,但它们通常不适用于其他类型的稳定晶体振荡器. 

5.方向灵敏度(翻倒).当改变振荡器的物理方向时,由于由重力作用引起的晶体毛坯上的应力变化,频率变化很小(对于任何90度旋转,通常不超过10-9中的几个部分).水晶支架.倾翻以10-9/g表示,其中1g代表180°方向变化的一半.与AT相比,SC晶体对取向变化的频率敏感性较低.但是,对于大多数应用而言,AT和SC晶体之间的倾翻差异并不大,该特性通常不是规格考虑因素.

6,振动下的杂散当晶体振荡器受到振动时,会产生寄生频率,该寄生频率会因振动频率而偏离频率振荡.这些杂散输出的幅度与振动幅度,晶体支架的机械设计以及振荡器的机械设计有关.与AT相比,SC晶体在振动下产生的振幅杂散输出更低.但是,此特性更多地取决于晶体和振荡器的机械设计,而不是取决于晶体切割.

SC晶体的缺点:

1,费用由于在制造SC晶体时相对于AT的一个轴围绕角度严格控制围绕两个轴旋转的困难,因此SC晶体的成本明显高于具有相同频率和泛音的AT的成本.

2.可拉性SC晶体的动电容比相同频率和泛音的AT的动电容小几倍,因此降低了”拉”晶体频率的能力.这限制了SC晶体不能用在常规TCXO和VCXO振荡器中,甚至不能用在烤箱控制的振荡器中,从而要求能够显着偏离振荡频率.

综上所述,双旋转晶体在晶体振荡器中的适用性基本上仅限于烤箱控制的应用,在这些应用中,改进的老化,预热和近相噪声特性可证明显着增加了成本.

采用SC切割的OCXO振荡器优缺点及电路特性