便攜式設(shè)備的設(shè)計者有一項艱巨的工作.市場需要顯示低功耗(延長電池壽命)且足夠堅固的設(shè)備,以經(jīng)受住日常操作的嚴(yán)酷考驗,包括意外跌落的影響.即使在極端環(huán)境下,設(shè)備也必須正常運行.通過減小尺寸來提高性能始終是一個重要目標(biāo).最后,設(shè)計者必須指定容易獲得的部件滿足并超過成品的設(shè)計要求以促進有效的制造過程.

龍湖電子本文將討論通過使用溫度補償晶體振蕩器(TCXO晶振)在溫度波動的情況下保持恒定工作頻率的挑戰(zhàn),這是便攜式設(shè)備正常工作的關(guān)鍵之一.

晶體控制振蕩器(XOs)長期以來一直用于調(diào)節(jié)便攜式設(shè)備的工作頻率.然而,當(dāng)環(huán)境溫度變化時,它們的頻率會漂移.通常,溫度補償晶體振蕩器或TCXO用于消除(或至少限制)這種頻率變化.然而,僅僅認識到需要TCXO是不夠的.設(shè)計者必須指定器件的工作特性,包括溫度范圍和所需的補償程度.但是,僅僅指定溫度范圍也是不夠的.

在一個完美的世界里,我們可以指定一個溫度范圍在-55℃和+125℃之間的振蕩器,頻率補償為+/-0.01PPM,并且實際上讓器件執(zhí)行相應(yīng)的操作.但是,現(xiàn)實世界受到物理和電學(xué)定律的限制,我們不能總是為給定的應(yīng)用指定一個絕對完美的石英晶體振蕩器.這就是為什么設(shè)備設(shè)計工程師應(yīng)該總是在設(shè)計過程的最早階段與振蕩器供應(yīng)商討論他們的要求.然后,他們可以準(zhǔn)確地確定振蕩器的實際工作方式,并據(jù)此進行設(shè)計和規(guī)劃.

福克斯電子公司的FOX801BH是一款SMD溫控晶體振蕩器這適用于各種需要優(yōu)秀的頻率穩(wěn)定性.

振蕩器基礎(chǔ)知識

振蕩器理論的簡要回顧將有助于簡化TCXO晶振的規(guī)格.

在其最簡單的形式中,振蕩器由放大器網(wǎng)絡(luò)和相位校正網(wǎng)絡(luò)組成.為了啟動和維持振蕩,電路周圍的環(huán)路增益必須大于1,信號的相移必須等于2npi.gif-872Bytes,其中n是整數(shù),如0,1,2或3.

相位校正網(wǎng)絡(luò)包括石英晶體,通常在復(fù)阻抗平面的電感部分起作用.當(dāng)以這種方式操作時,晶體被稱為負載電容形式.石英晶振表現(xiàn)出優(yōu)異的相位補償特性,因此是可接受的頻率確定裝置.然而,設(shè)計者必須應(yīng)對溫度變化時頻率漂移的趨勢.

也許解決溫度變化中頻率漂移難題的最佳方法是利用補償網(wǎng)絡(luò).補償網(wǎng)絡(luò)由耦合到振蕩器電路反饋路徑中的電抗元件的溫度傳感裝置組成.該組件修改輸出頻率.盡管這樣的網(wǎng)絡(luò)會有所幫助,但它也會使事情復(fù)雜化,即使補償技術(shù)已經(jīng)成熟.振蕩器尺寸必須增加以容納這些額外的元件.功耗略有增加,因為組件也會消耗電能.

有兩種主要類型的頻率補償網(wǎng)絡(luò);第三種是前兩種的雜交.這些方法都值得考慮.了解有源晶振設(shè)計的這些方法將有助于設(shè)備設(shè)計人員在指定TCXO時做出明智的決定.

熱敏電阻-電阻網(wǎng)絡(luò)

方法一使用熱敏電阻-電阻網(wǎng)絡(luò),其中溫度間接改變元件的電容,元件是晶振電容負載的一部分,因此影響頻率.不穩(wěn)定的電源電壓會改變輸出頻率.需要基準(zhǔn)電壓來穩(wěn)定輸出頻率,這會增加電流消耗.

此外,基準(zhǔn)電壓源的輸出部分存在噪聲將會調(diào)制振蕩器輸出的頻率.因此,需要低噪聲基準(zhǔn)電壓源,這增加了總成本.還需要額外的印刷電路板面積來容納這些額外的元件,使振蕩器更大.

顯然,這種方法與設(shè)計工程師降低成本,降低電流消耗和減小尺寸的目標(biāo)背道而馳.

溫度補償?shù)闹苯臃椒?/b>

晶體振蕩器保持恒定的工作頻率對于便攜式電子設(shè)備的正常運行至關(guān)重要.

第二種溫度補償方法(通常稱為"直接"方法)依賴于使用額定溫度系數(shù)的電容來代替晶體反饋網(wǎng)絡(luò)中常見的溫度穩(wěn)定電容.通過在特定溫度范圍內(nèi)測試未補償?shù)恼袷幤?/span>,振蕩器設(shè)計人員可以確定補償頻率所需的電容變化.利用該值,振蕩器設(shè)計人員可以確定電容必須顯示的溫度系數(shù).

實際上,溫度系數(shù)通常是通過將不同溫度系數(shù)的電容器相互并聯(lián)來確定的.這種技術(shù)僅對貼片晶振頻率/溫度曲線的線性部分有效,但可以實現(xiàn)+/-0.5ppm量級的輸出穩(wěn)定性.與方法一相比,整體尺寸接近相等,功耗不受影響.成本增加僅僅是因為這種方法是測試密集型的,并且石英板的切割角度必須嚴(yán)格控制.這種控制涉及整個制造周期的大量測試.當(dāng)使用這種方法時,結(jié)果非常好.對成本的影響因供應(yīng)商而異.

"混合"溫度補償

"混合"方法結(jié)合了前面討論的兩種方法的最佳方面.熱敏電阻與正負溫度系數(shù)的電容并聯(lián)放置.通過正確選擇熱敏電阻值和溫度曲線,設(shè)計人員可以在電路中引入或移除所需的電容.這種方法允許在更寬的溫度范圍內(nèi)進行頻率補償,因為(不同于直接方法),它可以用來補償非線性晶體頻率/溫度特性.然而,"混合"方法有些難以實現(xiàn).出現(xiàn)困難是因為必須仔細選擇部件并進行廣泛測試.在許多情況下,這幾乎成為一種"手工測試和裝配"的方法,而不是大規(guī)模生產(chǎn)的方法.它非常適合非常精確的TCXO晶振.