晶振官方博客
更多>>Greenray晶振精密微型TCXO的設(shè)計與性能
來源：http://www.spinfm.net 作者：康華爾電子 2018年09月05
往年統(tǒng)計美國先進(jìn)的精密石英晶體振蕩器制造商的名單中，總是少不了Greenray晶振公司，1961年成立到現(xiàn)在，這家公司已經(jīng)積累了相當(dāng)豐富的有源晶振設(shè)計量產(chǎn)知識和資歷。2013年至2016年連續(xù)獲得IDS供應(yīng)商卓越獎，Greenray公司開發(fā)的恒溫晶振，溫補(bǔ)晶振，壓控晶振有著極其穩(wěn)定的性能。將近60年的制造經(jīng)驗，使Greenray掌握了核心的工藝技術(shù)，和生產(chǎn)加工方法，因此在美國頻率元件領(lǐng)域里，算得上是數(shù)一數(shù)二的。
自從使用石英晶體作為頻率控制裝置以來，已經(jīng)出現(xiàn)了不斷尋求提高它們的溫度穩(wěn)定性。在簡要回顧了水晶的歷史之后振蕩器溫度補(bǔ)償，本文將描述TCXO的最新技術(shù)溫度補(bǔ)償技術(shù)和相關(guān)的晶體諧振器。
當(dāng)?shù)谝粋€晶體振蕩器建于20世紀(jì)20年代時，唯一可用的晶體，如X-cut，展示了差的溫度性能。AT-cut晶體的開發(fā)是朝著制造方向邁出的重要一步溫度補(bǔ)償可行的。AT-cut提供了相對平坦的頻率對溫度曲線以+25℃為中心。直到20世紀(jì)40年代中期，晶體的老化和溫度特性還不足以使精確的校正變得實用。泄漏封裝導(dǎo)致老化漂移不良晶體板和晶片設(shè)計中的缺陷產(chǎn)生具有嚴(yán)重活性下降和耦合的晶體模式[3]。這產(chǎn)生了顯著的頻率擾動，限制了任何嘗試的有效性補(bǔ)償。但是在石英板設(shè)計和晶體封裝方面的進(jìn)步，比如冷焊夾具使得可以生產(chǎn)具有相對平滑的頻率-溫度曲線和老化速率的晶體低至每天1X10-9(或1X10-3ppm)。
圖1.特征溫度曲線族AT切割晶體的基頻
50年來熱敏電阻/電阻TCXO晶振一直是主流晶體振蕩器溫度補(bǔ)償，產(chǎn)生校正電壓通過一個或多個熱敏電阻的網(wǎng)絡(luò)取消電壓控制的頻率與溫度的變化晶體振蕩器。介紹電壓可變電容變?nèi)荻O管隨著負(fù)溫度的提高系數(shù)熱敏電阻使其成為可能補(bǔ)償晶體的精度更高。早在1961年，補(bǔ)償比就更大了超過100比1。這個會表示具有峰-峰偏差的晶體可以補(bǔ)償40ppm的溫度達(dá)到0.4ppm的水平。今天，兩個數(shù)量級的比率約為極限熱敏電阻/電阻補(bǔ)償雖然通過改進(jìn)的自動化系統(tǒng)實現(xiàn)了這一水平和計算機(jī)分析能力。但即使在今天，實現(xiàn)優(yōu)于0.5ppm的穩(wěn)定性也需要多次使用至少三個熱敏電阻進(jìn)行溫度運(yùn)行和重復(fù)網(wǎng)絡(luò)調(diào)整。一些嘗試使用電阻調(diào)整或熱敏電阻靈敏度的數(shù)字調(diào)整自動完成補(bǔ)償過程已經(jīng)取得了一定的成功，但這些配置無法輕松集成為小型包裝尺寸要求。
到20世紀(jì)70年代后期，集成電路技術(shù)的進(jìn)步使得實現(xiàn)補(bǔ)償系統(tǒng)變得切實可行采用模數(shù)轉(zhuǎn)換和固態(tài)存儲器。雖然實現(xiàn)了根據(jù)今天的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字溫補(bǔ)晶振的性能優(yōu)于0.1ppm幾家公司，包括Rockwell Collins和Greenray Industries。其他數(shù)字實現(xiàn)有多年來一直在開發(fā)，許多具有嵌入式計算能力，以方便校準(zhǔn)和系統(tǒng)操作。一些采用精心設(shè)計的溫度測量方案，如雙模晶體自調(diào)節(jié)傳感。盡管這些設(shè)計中的一些實現(xiàn)了0.05ppm或更高的溫度穩(wěn)定性，但它們是更大且相對復(fù)雜的組件，通常具有寄生噪聲產(chǎn)生問題。
隨著大規(guī)模集成的能力不斷擴(kuò)大，可以包括更多的溫度補(bǔ)償?shù)絾蝹€IC所需的功能。 這導(dǎo)致了當(dāng)前這一代ASIC允許構(gòu)建僅具有兩個組件的精密模擬TCXO：ASIC加上石英晶體諧振器。為TCXO應(yīng)用而出現(xiàn)的最新器件是結(jié)合精度的復(fù)雜的大規(guī)模IC模擬功能，非易失性數(shù)字存儲，變?nèi)荻O管和RF振蕩器電路。
ASIC的核心是多項式函數(shù)發(fā)生器引擎。目標(biāo)是產(chǎn)生溫度變化電壓將匹配壓控晶振電壓，以保持振蕩器頻率精確地符合標(biāo)稱值在整個溫度范圍內(nèi)。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(shù)。此功能描述為：
其中a0到a5是要生成的多項式的系數(shù)，T是當(dāng)前溫度，Ti是晶體的拐點(diǎn)溫度（晶體曲線相對于中心的溫度）下轉(zhuǎn)彎點(diǎn)和上轉(zhuǎn)彎點(diǎn)，通常在+26°C左右）。校準(zhǔn)變量的調(diào)整范圍以覆蓋AT切割的晶體角度隨溫度的變化。所有溫度參考晶體拐點(diǎn)溫度。系數(shù)值存儲為數(shù)字芯片上非易失性寄存器中的數(shù)字。雖然理想的AT貼片晶振應(yīng)遵循三階曲線，電路和晶體中的非線性要求包括更高階的項以獲得a匹配所需的補(bǔ)償電壓曲線。晶體拐點(diǎn)溫度在匹配中很重要，曲線是必須可編程的變量之一，以便使用更廣泛的晶體。一些微型帶狀晶體可能具有高達(dá)40°C的彎曲度，這可以實現(xiàn)精確的曲線擬合難。
除函數(shù)發(fā)生器外，所有其他振蕩器功能都包含在最新的芯片中。一個精度低壓差（LDO）穩(wěn)壓器為所有片上電路供電。因為穩(wěn)定必須保持的電壓，以達(dá)到所需的頻率穩(wěn)定性，精確的參考電壓來源至關(guān)重要。可以低至+2.7Vdc的操作。晶體振蕩器驅(qū)動電路是片上可編程晶振驅(qū)動電流，以容納a晶體阻抗和頻率范圍。調(diào)節(jié)振蕩器頻率的電壓可變電容器通常將其實現(xiàn)為MOS結(jié)構(gòu)而不是傳統(tǒng)的摻雜結(jié)型二極管。 一個由于器件的低電壓操作，需要相對高的調(diào)諧靈敏度，并且可能超過50ppm/V。
自從使用石英晶體作為頻率控制裝置以來，已經(jīng)出現(xiàn)了不斷尋求提高它們的溫度穩(wěn)定性。在簡要回顧了水晶的歷史之后振蕩器溫度補(bǔ)償，本文將描述TCXO的最新技術(shù)溫度補(bǔ)償技術(shù)和相關(guān)的晶體諧振器。
當(dāng)?shù)谝粋€晶體振蕩器建于20世紀(jì)20年代時，唯一可用的晶體，如X-cut，展示了差的溫度性能。AT-cut晶體的開發(fā)是朝著制造方向邁出的重要一步溫度補(bǔ)償可行的。AT-cut提供了相對平坦的頻率對溫度曲線以+25℃為中心。直到20世紀(jì)40年代中期，晶體的老化和溫度特性還不足以使精確的校正變得實用。泄漏封裝導(dǎo)致老化漂移不良晶體板和晶片設(shè)計中的缺陷產(chǎn)生具有嚴(yán)重活性下降和耦合的晶體模式[3]。這產(chǎn)生了顯著的頻率擾動，限制了任何嘗試的有效性補(bǔ)償。但是在石英板設(shè)計和晶體封裝方面的進(jìn)步，比如冷焊夾具使得可以生產(chǎn)具有相對平滑的頻率-溫度曲線和老化速率的晶體低至每天1X10-9(或1X10-3ppm)。
圖1.特征溫度曲線族AT切割晶體的基頻
50年來熱敏電阻/電阻TCXO晶振一直是主流晶體振蕩器溫度補(bǔ)償，產(chǎn)生校正電壓通過一個或多個熱敏電阻的網(wǎng)絡(luò)取消電壓控制的頻率與溫度的變化晶體振蕩器。介紹電壓可變電容變?nèi)荻O管隨著負(fù)溫度的提高系數(shù)熱敏電阻使其成為可能補(bǔ)償晶體的精度更高。早在1961年，補(bǔ)償比就更大了超過100比1。這個會表示具有峰-峰偏差的晶體可以補(bǔ)償40ppm的溫度達(dá)到0.4ppm的水平。今天，兩個數(shù)量級的比率約為極限熱敏電阻/電阻補(bǔ)償雖然通過改進(jìn)的自動化系統(tǒng)實現(xiàn)了這一水平和計算機(jī)分析能力。但即使在今天，實現(xiàn)優(yōu)于0.5ppm的穩(wěn)定性也需要多次使用至少三個熱敏電阻進(jìn)行溫度運(yùn)行和重復(fù)網(wǎng)絡(luò)調(diào)整。一些嘗試使用電阻調(diào)整或熱敏電阻靈敏度的數(shù)字調(diào)整自動完成補(bǔ)償過程已經(jīng)取得了一定的成功，但這些配置無法輕松集成為小型包裝尺寸要求。
到20世紀(jì)70年代后期，集成電路技術(shù)的進(jìn)步使得實現(xiàn)補(bǔ)償系統(tǒng)變得切實可行采用模數(shù)轉(zhuǎn)換和固態(tài)存儲器。雖然實現(xiàn)了根據(jù)今天的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字溫補(bǔ)晶振的性能優(yōu)于0.1ppm幾家公司，包括Rockwell Collins和Greenray Industries。其他數(shù)字實現(xiàn)有多年來一直在開發(fā)，許多具有嵌入式計算能力，以方便校準(zhǔn)和系統(tǒng)操作。一些采用精心設(shè)計的溫度測量方案，如雙模晶體自調(diào)節(jié)傳感。盡管這些設(shè)計中的一些實現(xiàn)了0.05ppm或更高的溫度穩(wěn)定性，但它們是更大且相對復(fù)雜的組件，通常具有寄生噪聲產(chǎn)生問題。
隨著大規(guī)模集成的能力不斷擴(kuò)大，可以包括更多的溫度補(bǔ)償?shù)絾蝹€IC所需的功能。 這導(dǎo)致了當(dāng)前這一代ASIC允許構(gòu)建僅具有兩個組件的精密模擬TCXO：ASIC加上石英晶體諧振器。為TCXO應(yīng)用而出現(xiàn)的最新器件是結(jié)合精度的復(fù)雜的大規(guī)模IC模擬功能，非易失性數(shù)字存儲，變?nèi)荻O管和RF振蕩器電路。
ASIC的核心是多項式函數(shù)發(fā)生器引擎。目標(biāo)是產(chǎn)生溫度變化電壓將匹配壓控晶振電壓，以保持振蕩器頻率精確地符合標(biāo)稱值在整個溫度范圍內(nèi)。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(shù)。此功能描述為：
其中a0到a5是要生成的多項式的系數(shù)，T是當(dāng)前溫度，Ti是晶體的拐點(diǎn)溫度（晶體曲線相對于中心的溫度）下轉(zhuǎn)彎點(diǎn)和上轉(zhuǎn)彎點(diǎn)，通常在+26°C左右）。校準(zhǔn)變量的調(diào)整范圍以覆蓋AT切割的晶體角度隨溫度的變化。所有溫度參考晶體拐點(diǎn)溫度。系數(shù)值存儲為數(shù)字芯片上非易失性寄存器中的數(shù)字。雖然理想的AT貼片晶振應(yīng)遵循三階曲線，電路和晶體中的非線性要求包括更高階的項以獲得a匹配所需的補(bǔ)償電壓曲線。晶體拐點(diǎn)溫度在匹配中很重要，曲線是必須可編程的變量之一，以便使用更廣泛的晶體。一些微型帶狀晶體可能具有高達(dá)40°C的彎曲度，這可以實現(xiàn)精確的曲線擬合難。
除函數(shù)發(fā)生器外，所有其他振蕩器功能都包含在最新的芯片中。一個精度低壓差（LDO）穩(wěn)壓器為所有片上電路供電。因為穩(wěn)定必須保持的電壓，以達(dá)到所需的頻率穩(wěn)定性，精確的參考電壓來源至關(guān)重要。可以低至+2.7Vdc的操作。晶體振蕩器驅(qū)動電路是片上可編程晶振驅(qū)動電流，以容納a晶體阻抗和頻率范圍。調(diào)節(jié)振蕩器頻率的電壓可變電容器通常將其實現(xiàn)為MOS結(jié)構(gòu)而不是傳統(tǒng)的摻雜結(jié)型二極管。 一個由于器件的低電壓操作，需要相對高的調(diào)諧靈敏度，并且可能超過50ppm/V。
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