| 溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO）是一種用途十分廣泛的電子元器件,從我們身邊的移動(dòng)電話到翱翔太空的人造衛(wèi)星,無(wú)處不見(jiàn)它的身影。晶體振蕩器通常分為4類(lèi),分別是TCXO、溫度控制晶體振蕩器（OCXO）、電壓控制晶體振蕩器（VCXO）和簡(jiǎn)單封裝晶體振蕩器（SPXO或簡(jiǎn)稱(chēng)XO）,不過(guò),各類(lèi)型的特點(diǎn)并不顯著,不少特性甚至還互相交叉。相互關(guān)聯(lián)的性能指標(biāo)常常讓人們?cè)谶x型階段就已頭昏腦脹,后續(xù)的性價(jià)比評(píng)估更是無(wú)從下手。 
歸納基本需求
首先要確定的是目標(biāo)產(chǎn)品的基本需求,這些需求往往是具體而明確的。基本需求包括輸出頻率、輸出波形（正弦波還是方波？采用什么信號(hào)電平？是HCMOS、CMOS,還是TTL或ECL？）、電源電壓、外形尺寸、封裝形式及有關(guān)裝配要求。
其次要使振蕩器的“整體性能”趨于平衡、合理,這就需要權(quán)衡諸如穩(wěn)定度、工作溫度范圍、晶體老化效應(yīng)、相位噪聲、成本等多方面因素,這里的成本不僅僅包含器件的價(jià)格,而且包含產(chǎn)品全壽命的使用成本。
舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子,普通振蕩器雖然價(jià)格低廉,但是很可能用不了多久就要更換,而且在產(chǎn)品全壽命期內(nèi)可能需要更換多次;耐用的振蕩器價(jià)格雖然比較高,但是在產(chǎn)品全壽命期內(nèi)不需要更換,從總體上看可能更為經(jīng)濟(jì)。此外,器件選型時(shí)一般都要留出一些余量,以保證產(chǎn)品的可靠性。選用較高檔的器件可以進(jìn)一步降低失效概率,帶來(lái)潛在的效益,這一點(diǎn)在比較產(chǎn)品價(jià)格的時(shí)候也要考慮到。
確定振蕩器的“整體性能”
從根本上來(lái)講,描述振蕩器的穩(wěn)定度有兩種方式,最簡(jiǎn)單的辦法就是根據(jù)各種可能發(fā)生的情況,繪制一幅頻率容差的圖線。頻率容差就是輸出頻率在各種工作條件下的變化范圍。圖線繪制完成后,就可以交給振蕩器廠商生產(chǎn)。另外一種方法就是規(guī)定工作溫度范圍和使用壽命。
目前,主要振蕩器廠商大都按照上述第一種方式供貨,因?yàn)檫@種方式比較容易定量和標(biāo)準(zhǔn)化。不過(guò)對(duì)于用戶而言,很可能會(huì)出現(xiàn)盲目追求高性能、殺雞用牛刀的情況。
整個(gè)工作溫度范圍的穩(wěn)定度
過(guò)去一段時(shí)期以來(lái),工作溫度范圍這項(xiàng)指標(biāo)一直都用商業(yè)級(jí)（0～70℃）、工業(yè)級(jí)（-40～+85℃）和軍品級(jí)（-55～ +125℃）來(lái)表示。最近,這一情況發(fā)生了變化,原因是實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償越來(lái)越困難。
在穩(wěn)定性水平不變的前提下,工作溫度在商業(yè)級(jí)范圍之外每上升或下降 5℃,單個(gè)振蕩器的成本就要增加5%～10%。按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn),如果不用商業(yè)級(jí)器件而換用工業(yè)級(jí)器件,成本會(huì)上升70%～150%。實(shí)際上,工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的-40～+85℃這個(gè)范圍往往只是出于設(shè)計(jì)者們的習(xí)慣,倘若-30～+80℃已經(jīng)夠用,那么就不必去追求更寬的溫度范圍。
翻開(kāi)很多電子元器件的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都可以發(fā)現(xiàn),工作溫度范圍常常是根據(jù)某個(gè)特定的地理區(qū)域制定的。廠商們因此面臨兩個(gè)選擇：要么生產(chǎn)工作溫度范圍盡可能寬的通用產(chǎn)品,占領(lǐng)盡可能大的市場(chǎng);要么針對(duì)每個(gè)區(qū)域的不同需要設(shè)計(jì)專(zhuān)用產(chǎn)品。這兩種選擇很難說(shuō)孰優(yōu)孰劣,不過(guò)后者的性價(jià)比往往比較好,所以被很多廠商采用。
下面這張表格列出了穩(wěn)定度與晶體振蕩器類(lèi)型的大致對(duì)應(yīng)關(guān)系（未考慮其他因素）,供讀者參考。從表格中可以看出,如果要求穩(wěn)定性優(yōu)于±0.2 ppm,那么就只能選擇OCXO,或者選擇性能更可靠也更昂貴的原子鐘。如果要求穩(wěn)定性介于±0.2～±0.5 ppm之間,并且明確規(guī)定了溫度范圍和輸出頻率,那么既可以選擇OCXO,也可以選擇采用ASIC（專(zhuān)用集成電路）進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)腡CXO。
如表格所示,穩(wěn)定度在±0.5～±10 ppm范圍內(nèi),TCXO是最佳選擇。在 ±10～±20 ppm范圍內(nèi),如果其他方面的要求不是很高,那么價(jià)格低廉的SPXO/XO就足以勝任。
表 晶體振蕩器穩(wěn)定度 | 工作溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定度要求 | 典型應(yīng)用 | 振蕩器類(lèi)型 | | ±0.2ppm | 電信傳輸設(shè)備的時(shí)鐘基準(zhǔn) | OCXO | | ±0.2～±0.5ppm | 電信傳輸設(shè)備的Stratum 3時(shí)鐘基準(zhǔn) | OCXO,帶模擬集成電路的TCXO | | ±0.5～±1.0ppm | 軍用無(wú)線電設(shè)備,E-911蜂窩電話定位器 | 帶模擬集成電路的TCXO | | ±1.0～±2.5ppm | 移動(dòng)無(wú)線電設(shè)備(例如應(yīng)急通信設(shè)備) | 帶模擬集成電路的TCXO | | ±2.5～±10ppm | 移動(dòng)電話 | 帶電熱調(diào)節(jié)的TCXO | | ±10～±20ppm | 傳真機(jī) | TCXO,VCXO,SPXO | | >±20ppm | 計(jì)算機(jī)時(shí)鐘信號(hào)源 | SPXO/XO |
老化及其他因素
晶體老化是造成頻率變化的又一重要因素。根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品的預(yù)期壽命不同,有多種方法可以減弱這種影響。晶體老化會(huì)使輸出頻率按照對(duì)數(shù)曲線發(fā)生變化,也就是說(shuō)在產(chǎn)品使用的第一年,這種現(xiàn)象才最為顯著。
使用10年以上的晶體,其老化速度大約是第一年的3倍。采用特殊的晶體加工工藝可以改善這種情況,也可以采用調(diào)節(jié)的辦法解決,比如,可以在控制引腳上施加電壓。
與穩(wěn)定度有關(guān)的其他因素還包括電源電壓、負(fù)載變化、相位噪聲和抖動(dòng),這些指標(biāo)應(yīng)該規(guī)定出來(lái)。對(duì)于工業(yè)產(chǎn)品,有時(shí)還需要提出振動(dòng)、沖擊方面的指標(biāo),軍用品和宇航設(shè)備的要求往往更多,比如壓力變化時(shí)的容差、受輻射時(shí)的容差,等等。
與全壽命有關(guān)的要求
穩(wěn)定度要求介于±0.2～±20 ppm之間時(shí),都可以使用TCXO。如果穩(wěn)定度要求比較嚴(yán)格,那么應(yīng)該選擇采用ASIC進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)腡CXO,這種器件可以滿足-40～+85℃溫度范圍的要求;如果穩(wěn)定度要求比較寬松（低于±10 ppm）,比如辦公室用的傳真機(jī),其工作溫度范圍通常是0～50℃,那么就可以選用帶電熱調(diào)節(jié)器的TCXO,甚至用價(jià)格更便宜的SPXO。
VCXO是SPXO/XO的一種,它的輸出頻率可以通過(guò)外部調(diào)節(jié),用來(lái)補(bǔ)償因溫度變化和晶體老化造成的頻率變化。VCXO可以與參考信號(hào)保持相位同步,如果外部同步信號(hào)中斷不影響設(shè)備運(yùn)行,那么就可以用VCXO取代TCXO。
下面舉例說(shuō)明如何根據(jù)產(chǎn)品的全壽命需求選擇TCXO。對(duì)于固定通信網(wǎng)而言,Stratum 3是關(guān)鍵的振蕩器穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)之一,在歐洲和北美,分別在SDH和SONET網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中予以規(guī)定。
Stratum 3需要的總體穩(wěn)定度為 ±4.6ppm,24小時(shí)可保持穩(wěn)定度（工作溫度范圍的穩(wěn)定度加上短期穩(wěn)定度）為±0.37ppm。如果工作溫度范圍是-20～+70℃,那么采用C-MAC公司生產(chǎn)的CFPT-9000系列表面貼裝TCXO,就可以達(dá)到這個(gè)要求。
|
