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,極高的穩定性和非常低相位噪聲等,但同樣也有致命的弱點.由于技術和材料限制了大量生產的需求,制造過程也比較復雜與普通的振蕩器差別較大,但是部分特殊產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.

為了提供銣振蕩器的替代品,MTI-Millien晶振公司設計并開發了一種超穩定的恒溫晶體振蕩器(260系列).該振蕩器已被開發用于保持銣振蕩器的可比性能參數至關重要的應用中,而不會出現較高的成本和可能對系統設計目標造成損害的固有磨損現象.精密石英晶體振蕩器在滿足從衛星通信系統到電話基站和數字電話網絡等各種應用需求方面發揮著至關重要的作用.這些應用中的每一個都對現有的頻率源提出了嚴格的要求,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格的性能要求.然而,銣振蕩器還不能滿足一些關鍵領域.它們是:熱穩定性、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.然而,石英晶體振蕩器還沒有達到銣振蕩器性能的兩個參數是老化和預熱.對于低老化率至關重要的應用,可以使用銫、銣或全球定位系統等主要頻率標準來控制石英振蕩器并補償這一特性.

260系列是利用SC切割石英諧振器結合雙爐技術開發的,以提供在許多方面與銣振蕩器相當的性能特征.開發260系列振蕩器的主要設計目標是:

卓越的熱穩定性

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

設計和施工

必須實現總體尺寸小的基本設計目標,以便在預熱和連續運行期間將功率降至最低.它還將支持低零件數量的目標,從而降低成本,同時帶來更適合大規模制造環境的設計. 

圖1:260系列結構框圖

為達到所需的熱穩定性

<2e-10/100℃和低相位噪聲,260系列設計采用封閉在雙爐中的SC切割石英晶體.圖1顯示了振蕩器的結構框圖.石英晶體和維持電路位于內部烤箱內部.然后,內部烤箱組件被第二個外部烤箱組件包圍.這為石英晶體和振蕩器組件提供了高度穩定的溫度控制外殼,從而具有出色的熱穩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部烤箱控制和放大器電路的影響,提供了更好的熱穩定性.

對比

過去幾年,the振蕩器的開發取得了進展-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.這種缺點的例子是are燈的壽命有限,振蕩器的總質量,熱穩定性,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域提供了卓越的性能.例如,在-30℃~+70℃的溫度范圍內,10MHz(利用5MHz晶體,然后將其倍增)的260系列振蕩器的熱穩定性為<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,相同參數的典型Rub時鐘的性能<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的速率進行測量并提供,但目前許多5MHz單元在連續運行1到2個月后達到的速率低至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振蕩器制造商發布的一些性能結果的比較.

從表1中的數據可以看出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用,可以將260系列與主頻率標準(例如LoranC,T1信號,GPS等)結合使用,以規范振蕩器,以提高長期穩定性.穩定性能.總體結果可以是具有出色的石英短期穩定性與銫原標準的長期穩定性的頻率參考.石英振蕩器具有濾波功能,可以很大程度地消除傳輸介質的較大抖動.

測試方法和結果

迄今為止,已經制造出4至20MHz之間的各種頻率的振蕩器.5MHz和10MHz的頻率構成了具有統計意義的總體.討論的測試結果針對這兩個頻率的有源晶振.在生產過程中,將對每個振蕩器的以下參數進行性能評估:熱穩定性,老化,相位噪聲,短期穩定性和電源電壓靈敏度.接下來是對這些參數的詳細討論.

熱穩定性

在幾周內,溫度通常是石英振蕩器不穩定的最大原因.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部烤箱中,從而使環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將環境溫度變化衰減100倍,然后再加上類似的內部烤箱增益,則理想情況下,內部烤箱內部的溫度變化將衰減10,000倍.環境溫度的變化.因此,對于100℃的環境溫度變化,示例中內部烤箱內部的溫度僅變化0.01℃.我們可以進行一些粗略的計算,以了解振蕩器電路和使用上述烤箱控制電路穩定的石英晶體的預期熱性能.

假設烤箱的溫度可以設置在晶體轉折點的0.1℃以內,則具有86℃轉折點的5MHzSC切割晶體的溫度系數可以近似為8e-10/℃.組件的溫度系數估計為1e-09/℃.因此,對于烤箱溫度0.01℃的變化(由于環境溫度變化100℃),OCXO振蕩器的熱穩定性能可能為8e-12+1e-11=1.8e-11. 

圖2:5MHz振蕩器的熱穩定性 

圖3:10MHz振蕩器的熱穩定性

振蕩器在整個溫度范圍內的性能表現為以10℃為步長將環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℃初始溫度點和最終溫度點之間測得的頻率差用于抵消振蕩器頻率的任何漂移.假設在測試時間內線性頻率漂移.圖2和圖3分別顯示了5MHz和10MHz振蕩器的熱穩定性能.

老化

裝運前要確定每個振蕩器的日漂移率.這可以通過將設備通電10到20天不等來實現.在此期間,大約每2小時會主動收集每個單元的數據.每個讀數是10次頻率測量的平均值,且門時間為1秒.通過將直線統計地擬合到全部或部分數據集來確定測得的漂移率. 

圖4:5MHz振蕩器的老化特性

5MHz振蕩器經過408天的老化結果如圖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.這兩個圖中顯示的測量不是在同一時間段內進行的. 

圖5:10MHz振蕩器的老化特性

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

相位噪聲 

圖6:5MHz振蕩器的相位噪聲結果 

圖7:10MHz振蕩器的相位噪聲結果

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

短期穩定性

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

圖8:5MHz振蕩器的短期穩定性 

圖9:10MHz振蕩器的短期穩定性

電源電壓靈敏度

通過將電源電壓從標稱工作值改變±5％,對每個振蕩器進行電源電壓靈敏度測試.然后通過以10秒的門間隔平均10個樣本來獲取頻率讀數.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振蕩器的預熱 

圖13:5MHz振蕩器的預熱(放大) 

圖14:10MHz振蕩器的預熱 

圖15:10MHz振蕩器的預熱(放大)

預熱測試是許多應用的重要參數,下面提供了該測試的數據.通過關閉設備電源約24小時,對振蕩器進行預熱.然后打開這些單元的電源,并以1秒的門控間隔進行頻率測量.測試運行60分鐘,是指定預熱時間的4倍.預熱df/f是指60分鐘時的頻率.

表3顯示了28個MTI型號260-0504(5MHz)和36個260-0502(10MHz)的貼片晶振生產測試結果的統計報告.設計使用高精度振蕩器的系統需要仔細考慮周圍環境電子產品.兩個這樣的示例是熱設計考慮因素和電路走線電阻.忽略這些設計問題往往會損害振蕩器的全部性能. 

熱設計

為避免損害任何由烤箱控制的晶體振蕩器的熱穩定性能,請勿將其與大型散熱器接觸,例如緊靠設備機箱(除預期的安裝配置外)或與通風風扇并排放置.振蕩器產生的過多熱量可能會導致工作環境不同于“測試”環境.結果可能會導致用戶的配置與制造時測得的熱穩定性之間的相關性差異.

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,則內部電路產生的熱量也會使振蕩器的內部溫度也升高3倍.這具有降低較高的環境工作溫度的不良作用.

接地回路

一個更細微的設計問題(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.環境溫度的變化會導致振蕩器電源電流發生較大變化.結果,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.但是,如果內部參考振蕩器接地引腳并消耗微不足道的電流的電調諧電壓輸入引腳直接返回電源,則結果將是振蕩器接地引腳與其調諧輸入引腳之間的電壓差.其結果等同于施加與溫度成比例的調諧電壓來調諧振蕩器.

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.決定許多振蕩器規格的基本參數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=石英晶體的運動電感.該參數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,因為只需要電路電抗的微小變化即可產生頻率偏移.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,考慮在貼片進口振蕩器的調諧電路中使用一個15mH的電感器,該電感器在振蕩器的整個使用壽命內變化1％.該電感器在10MHz時的電抗變化為:

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

類似地,對于具有30mH(用于產生與上述相同的電抗變化的非標準值)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振蕩器的可用調諧范圍將比10MHz振蕩器小得多.但是,如果僅將調諧范圍用于調節振蕩器,則不必擔心,因為可用的調諧范圍將與振蕩器壽命內預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,它在熱穩定性,老化,相位噪聲,電源電壓靈敏度等方面具有優勢.

穩定性預算

穩定性預算是確定系統壽命期間振蕩器總體穩定性要求的有用工具.

表2:穩定性預算

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

未來發展

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

結論

從提供的性能數據可以得出結論,260系列確實是替代a的可行選擇,其中低成本,出眾的熱穩定性和相位噪聲是系統設計目標的關鍵.系統設計者需要考慮恒溫晶體振蕩器的熱環境以及電源和地線電阻的后果.還必須仔細檢查振蕩器頻率以獲得最佳性能.較低的頻率會導致更好的穩定性,因為石英是”stiffer”或具有較大的dX/dF值.

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