詳解美國Greenray緊湊型TCXO振蕩器
來源：http://djbyg.com 作者：金洛鑫電子 2019年03月27
美國進口的Greenray晶振近年來在亞洲地區(qū)比較活躍，原本主要市場是在美國，歐洲和中東等地，現(xiàn)在Greenray集團將銷售市場轉(zhuǎn)戰(zhàn)中國及亞太地區(qū)。為了保留自己的優(yōu)勢，Greenray Industries,Inc.公司一直堅持努力做好研發(fā)工作，終于開發(fā)出擁有高穩(wěn)定性，低損耗性能的緊湊型TCXO晶振系列產(chǎn)品。這種振蕩器是為了小型方便攜帶的產(chǎn)品設(shè)計的，尤其是對技術(shù)要求比較高，比較苛刻的軍事設(shè)備，之所以是TCXO溫補類型的，是因為OCXO晶振的體積一般都比較大，還未實現(xiàn)小型化生產(chǎn)，而且電流損耗也比較大，所以才會決定使用較小的TCXO晶振開發(fā)緊湊型方案。
在Z軸上，G靈敏度可以進一步提高到大約3x10-10/g，從而最大限度地降低沖擊和振動引起的穩(wěn)定性和相位噪聲。這對于依賴于在沖擊，加速和振動下的一致性能的便攜式和機載應(yīng)用非常重要。使用較低G敏感度晶體的缺點是老化性能略有下降。使TCXO更接近OCXO晶振穩(wěn)定性的限制因素之一是晶體擾動。擾動是在特定溫度下發(fā)生的孤立事件，通常只有幾度，導(dǎo)致晶體的頻率跳躍高達百萬分之幾（ppm）。
Greenray Industries的新型T75系列TCXO（溫度補償晶體振蕩器）滿足嚴格的穩(wěn)定性要求，緊湊的封裝和低功耗。任何振蕩器的核心都是晶體。新型T75系列TCXO采用來自姊妹公司Statek Corporation的ATStrip晶體，與普通圓形空白晶體相比具有明顯的優(yōu)勢。ATStrip晶體非常堅固，可以承受非常高的沖擊和振動水平。這種水晶的特殊版本可以承受高達100,000g的震動，使得該水晶非常適合在諸如Smart Munitions等惡劣環(huán)境中使用。該晶體的典型G靈敏度在最差軸（即Z軸）為2.5×10-9/g，在X和Y軸為小于2×10-10/g。
所有晶體本身都有擾動-重要的是它們有多少和多大。在制造過程中，擾動在整個溫度范圍內(nèi)都是可重復(fù)的。關(guān)于晶體擾動的起源有很多理論，包括空白應(yīng)力，清潔度和顆粒物質(zhì)離開水晶。Greenray與Statek晶振合作，將ATStrip擾動顯著降低至通常小于1x10-7，以便對溫度穩(wěn)定性進行補償，精確到±2x10-7。重要的是在溫度每兩度測試緊密穩(wěn)定的TCXO，以確保擾動不超過規(guī)格。
AT Strip晶體的設(shè)計也可以改善老化性能。TCXO的長期老化非常好，通常遠低于1ppM/年，并且10年內(nèi)預(yù)測為3ppm或更低。40MHzTCXO的長期老化示例如圖1所示。
Greenray專有的模擬補償具有5階多項式曲線擬合。解釋這一點的一種簡單方法是，補償順序越高，沿著溫度曲線可以補償?shù)狞c越多。這很重要，因為晶體在溫度范圍內(nèi)不能完美地曲線擬合。換句話說，5階補償將產(chǎn)生比3階補償更穩(wěn)定的振蕩器，因為它可以解釋晶體的更多不穩(wěn)定性。
為了提高溫補晶振性能，Greenray使用模擬溫度補償。與使用數(shù)字補償相比，這對短期穩(wěn)定性和相位噪聲的影響較小，盡管它可以產(chǎn)生非常穩(wěn)定的單位，但也會導(dǎo)致頻率跳躍，從而在系統(tǒng)級別造成嚴重破壞，從而導(dǎo)致鎖定問題和噪聲問題。
這使得T75能夠在-20至+70°C范圍內(nèi)提供±0.2ppM的穩(wěn)定性，在-40至+85°C范圍內(nèi)提供±0.3ppM的穩(wěn)定性，在-55至+90°C范圍內(nèi)提供±1ppM的穩(wěn)定性。這些穩(wěn)定性比使用熱敏電阻補償或三階補償獲得的典型TCXO性能要嚴格得多。在最嚴格的穩(wěn)定性選項上，產(chǎn)量并不高，因此選擇更典型的穩(wěn)定性（如±0.5ppM或±1.0ppM）具有成本優(yōu)勢。圖2是補償振蕩器的頻率與溫度的示例。
模擬補償也提供了出色的短期穩(wěn)定性。TCXO的典型性能<3x10-10，采樣周期為0.1和1.0秒。這種性能在溫度范圍內(nèi)保持一致，對于相同的采樣率，一些孤立的事件高達2x10-9。溫度可以升至2°C/分鐘，而不會顯著降低性能。
TCXO可以通過指定的EFC電壓進行調(diào)整，或者通過電壓基準（VREF）對EFC進行偏置（參見圖3），或者可以通過Greenray在內(nèi)部設(shè)置中心頻率，客戶無法調(diào)整。EFC輸入對于喜歡隨時間重新校準TCXO的客戶是有利的。有些通過軟件和D/A轉(zhuǎn)換器使用電氣調(diào)整來偏置輸入，而其他人只需使用簡單的電位器分壓器來調(diào)整設(shè)備的外部電壓。如果設(shè)備的電源電壓非常穩(wěn)定，可以使用分壓器（參見圖4）。但是，建議使用這種方法注意，因為晶振電源電壓的任何不穩(wěn)定性都可以直接輸入EFC端口，從而導(dǎo)致溫度穩(wěn)定性變化。這些單元通常使用EFC功能調(diào)整±5ppM，因此相對較小的電壓變化會顯著改變頻率。
T75系列TCXO提供三態(tài)選項或電壓基準選項。三態(tài)功能可以打開和關(guān)閉輸出，但允許振蕩器繼續(xù)運行，從而最大限度地縮短TCXO的穩(wěn)定時間。此功能對于測試功能非常有用，可以在多臺設(shè)備同時運行時輕松測試一個部件，電信和通信系統(tǒng)通常就是這種情況。三態(tài)使能“HI”或浮動輸入，禁用“LOW”0V輸入。電壓基準是內(nèi)部調(diào)節(jié)的電壓輸出，可用于偏置TCXO的電子頻率控制（EFC）端口，并將單位設(shè)置在標稱頻率上。+3.3V單元的電壓輸出為+2.4VDC（典型值），+5.0V單元的電壓輸出為+4.3VDC（典型值）。
Greenray高性能TCXO采用低噪聲ASIC振蕩器，可輸出+3.3V或+5.0VCMOS方波或0.8Vp-pClipped正弦波至10kΩ/10pF負載。該振蕩器的限幅正弦波版本在25MHz時的輸入功率非常低，小于2mA。CMOS版本也非常低，25MHz時小于4mA。這兩款器件均可滿足極低輸入功率和電池壽命的需求.TCXO設(shè)計用于10MHz至50MHz的頻率范圍，典型的相位噪聲曲線如圖5所示。振蕩器還具有可變的獨特功能晶體驅(qū)動，以優(yōu)化溫度補償和相位噪聲。
7050mm晶振T75系列采用定制表面貼裝陶瓷封裝（見圖6），可密封保護器件的有源集成電路，并允許器件在非常惡劣的環(huán)境中使用，包括高濕度或潮濕和極端溫度變化。通過使用密封的密封晶體，可以確?？芍貜?fù)的低老化性能。陶瓷封裝和IC作為組件制造以優(yōu)化生產(chǎn)，單獨封裝和密封的晶體安裝在外部作為零件制造的最后一步。這個流程
優(yōu)化定制，允許在10.0MHz和50.0MHz之間選擇任何頻率。
Greenray Crystal公司擁有60多年的晶體晶振生產(chǎn)歷史，主要制造4種石英晶體振蕩器，分別是時鐘振蕩器，溫補振蕩器，壓控晶體振蕩器和恒溫晶體振蕩器這幾個類型的。緊湊型振蕩器是近幾年根據(jù)用戶的要求設(shè)計開發(fā)的，為了應(yīng)用在更高端的便攜式產(chǎn)品身上，填補這個應(yīng)用市場的空缺，解決客戶的晶振需求和難題，并且接受用戶的定制要求，竭誠服務(wù)每一位客戶。
在Z軸上，G靈敏度可以進一步提高到大約3x10-10/g，從而最大限度地降低沖擊和振動引起的穩(wěn)定性和相位噪聲。這對于依賴于在沖擊，加速和振動下的一致性能的便攜式和機載應(yīng)用非常重要。使用較低G敏感度晶體的缺點是老化性能略有下降。使TCXO更接近OCXO晶振穩(wěn)定性的限制因素之一是晶體擾動。擾動是在特定溫度下發(fā)生的孤立事件，通常只有幾度，導(dǎo)致晶體的頻率跳躍高達百萬分之幾（ppm）。
Greenray Industries的新型T75系列TCXO（溫度補償晶體振蕩器）滿足嚴格的穩(wěn)定性要求，緊湊的封裝和低功耗。任何振蕩器的核心都是晶體。新型T75系列TCXO采用來自姊妹公司Statek Corporation的ATStrip晶體，與普通圓形空白晶體相比具有明顯的優(yōu)勢。ATStrip晶體非常堅固，可以承受非常高的沖擊和振動水平。這種水晶的特殊版本可以承受高達100,000g的震動，使得該水晶非常適合在諸如Smart Munitions等惡劣環(huán)境中使用。該晶體的典型G靈敏度在最差軸（即Z軸）為2.5×10-9/g，在X和Y軸為小于2×10-10/g。
所有晶體本身都有擾動-重要的是它們有多少和多大。在制造過程中，擾動在整個溫度范圍內(nèi)都是可重復(fù)的。關(guān)于晶體擾動的起源有很多理論，包括空白應(yīng)力，清潔度和顆粒物質(zhì)離開水晶。Greenray與Statek晶振合作，將ATStrip擾動顯著降低至通常小于1x10-7，以便對溫度穩(wěn)定性進行補償，精確到±2x10-7。重要的是在溫度每兩度測試緊密穩(wěn)定的TCXO，以確保擾動不超過規(guī)格。
Greenray專有的模擬補償具有5階多項式曲線擬合。解釋這一點的一種簡單方法是，補償順序越高，沿著溫度曲線可以補償?shù)狞c越多。這很重要，因為晶體在溫度范圍內(nèi)不能完美地曲線擬合。換句話說，5階補償將產(chǎn)生比3階補償更穩(wěn)定的振蕩器，因為它可以解釋晶體的更多不穩(wěn)定性。
為了提高溫補晶振性能，Greenray使用模擬溫度補償。與使用數(shù)字補償相比，這對短期穩(wěn)定性和相位噪聲的影響較小，盡管它可以產(chǎn)生非常穩(wěn)定的單位，但也會導(dǎo)致頻率跳躍，從而在系統(tǒng)級別造成嚴重破壞，從而導(dǎo)致鎖定問題和噪聲問題。
這使得T75能夠在-20至+70°C范圍內(nèi)提供±0.2ppM的穩(wěn)定性，在-40至+85°C范圍內(nèi)提供±0.3ppM的穩(wěn)定性，在-55至+90°C范圍內(nèi)提供±1ppM的穩(wěn)定性。這些穩(wěn)定性比使用熱敏電阻補償或三階補償獲得的典型TCXO性能要嚴格得多。在最嚴格的穩(wěn)定性選項上，產(chǎn)量并不高，因此選擇更典型的穩(wěn)定性（如±0.5ppM或±1.0ppM）具有成本優(yōu)勢。圖2是補償振蕩器的頻率與溫度的示例。
TCXO可以通過指定的EFC電壓進行調(diào)整，或者通過電壓基準（VREF）對EFC進行偏置（參見圖3），或者可以通過Greenray在內(nèi)部設(shè)置中心頻率，客戶無法調(diào)整。EFC輸入對于喜歡隨時間重新校準TCXO的客戶是有利的。有些通過軟件和D/A轉(zhuǎn)換器使用電氣調(diào)整來偏置輸入，而其他人只需使用簡單的電位器分壓器來調(diào)整設(shè)備的外部電壓。如果設(shè)備的電源電壓非常穩(wěn)定，可以使用分壓器（參見圖4）。但是，建議使用這種方法注意，因為晶振電源電壓的任何不穩(wěn)定性都可以直接輸入EFC端口，從而導(dǎo)致溫度穩(wěn)定性變化。這些單元通常使用EFC功能調(diào)整±5ppM，因此相對較小的電壓變化會顯著改變頻率。
T75系列TCXO提供三態(tài)選項或電壓基準選項。三態(tài)功能可以打開和關(guān)閉輸出，但允許振蕩器繼續(xù)運行，從而最大限度地縮短TCXO的穩(wěn)定時間。此功能對于測試功能非常有用，可以在多臺設(shè)備同時運行時輕松測試一個部件，電信和通信系統(tǒng)通常就是這種情況。三態(tài)使能“HI”或浮動輸入，禁用“LOW”0V輸入。電壓基準是內(nèi)部調(diào)節(jié)的電壓輸出，可用于偏置TCXO的電子頻率控制（EFC）端口，并將單位設(shè)置在標稱頻率上。+3.3V單元的電壓輸出為+2.4VDC（典型值），+5.0V單元的電壓輸出為+4.3VDC（典型值）。
| T75系列TCXO的主要屬性包括： | T75系列TCXO非常適合： | ||
| 頻率從10到50MHz | 智能彈藥 | ||
| 供電電壓為+3.3和5.0VDC | 移動接收器 | ||
| 低功耗-低至2mA | 機載通信 | ||
| 溫度穩(wěn)定性低至±0.2ppM | 移動儀器 | ||
| 低衰老-10年內(nèi)<3ppM | 微波接收器 | ||
| 加速度靈敏度低至3x10-10/g | 電信層3 | ||
| 可承受高沖擊和振動 | 無線通信 | ||
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