美国Greenray Industries,Inc.公司是专业的TCXO晶振设计,开发,生产和销售为一体的企业,每一款产品都具有独特的”个性”,Greenray晶振公司自主研发的温补晶振不仅体积小,而且精度非常高,部分料号甚至可以达到±0.1ppm,电源电压一般不超过+3.3V,应用产品范围广泛,制造中的每一个环节,都实行严格的管理,力求每一颗都达到近乎完美,部分具有低相位噪声,高稳定性,低G灵敏度等优良特性.
自从使用石英晶体作为频率控制装置以来,一直在寻求改善其温度稳定性.在简要回顾了石英晶体振荡器温度补偿的历史后,本文将介绍TCXO温度补偿技术及相关晶体谐振器的最新技术.当第一个晶体振荡器建于20世纪20年代时,唯一可用的晶体,如X切割,表现出较差的温度性能.AT切割晶体的发展是使温度补偿可行的重要一步.AT切割提供了相对平坦的频率与温度曲线,以+25°C为中心.直到20世纪40年代中期,晶体的老化和温度特性还不足以使精确校正变得可行.泄漏的封装导致老化漂移不良,晶体板和晶圆设计的缺陷导致晶体具有严重的活动下降和耦合模式.这产生了显着的频率扰动,限制了任何补偿尝试的有效性.但是,石英板设计和晶体封装(如冷焊接头)的进步使得生产具有相对平滑的频率与温度曲线的晶体成为可能,并且老化速率低至每个1x10-9(或1x10-3ppm)天.
■热敏电阻/电阻网络补偿
热敏电阻/电阻TCXO已成为晶体振荡器温度补偿的主要支柱,已有50年历史.由一个或多个热敏电阻的网络产生的校正电压抵消了电压控制的压控晶体振荡器的频率与温度的变化.电压可变电容变容二极管的引入以及负温度系数热敏电阻的改进使得可以更精确地补偿晶体.早在1961年,补偿比率就超过了100比1.这表明在整个温度范围内峰峰值偏差为40ppm的晶体可以补偿到0.4ppm的水平.今天,两个数量级的比率大约是热敏电阻/电阻补偿的极限,尽管通过改进的自动化系统和计算机分析能力来实现这一水平.但即使在今天,实现优于0.5ppm的稳定性也需要多次温度运行并使用至少三个热敏电阻重复进行网络调整.使用电阻器微调或热敏电阻灵敏度的数字调整来自动补偿过程的一些尝试已经取得了一定的成功,但这些配置无法轻松集成以满足小封装尺寸要求.

■数字温度补偿
到20世纪70年代后期,集成电路技术的进步使得实现采用模数转换和固态存储器的补偿系统变得切实可行.尽管按照今天的标准实施这些实施方案,但数字TCXO的性能优于0.1ppm,是由Rockwell Collins和Greenray Industries等多家晶振厂家生产的.多年来已经开发出其他数字实现,其中许多具有嵌入式计算能力以促进校准和系统操作.一些采用精细的温度测量方案,如双模晶体自身温度传感.尽管这些设计中的一些实现了0.05ppm或更高的温度稳定性,但它们是更大且相对复杂的组件,通常具有寄生噪声产生问题.
■模拟集成
随着大规模集成的能力不断扩大,可以将温度补偿所需的更多功能纳入单个IC.这导致了当前的ASIC产品,只需两个组件即可构建精密模拟TCXO:ASIC和石英晶振.为TCXO应用而出现的最新器件是复杂的大规模集成了精密模拟功能的IC,非易失性数字存储,变容二极管和RF振荡器电路.图2示出了通用设备的框图.虽然第一代制造产生了相对较大的芯片,但几何尺寸的减小产生了更小的IC,使得完整精密的TCXO能够安装在小至3.2mmx5mm的封装中.
■多项式函数发生器
ASIC的核心是多项式函数发生器引擎.目标是产生一个温度变化的电压,该电压与VCXO电压相匹配,以保持振荡器频率在整个温度范围内精确地保持标称值.从线性温度传感器开始,然后使用一系列模拟乘法,模拟高阶多项式的系数.此功能描述为:

其中a0到a5是要生成的多项式的系数,T是当前温度,Ti是晶体的拐点温度(晶体曲线相对于下转折点和上转折点居中的温度,通常在+左右)26°C).校准变量的调整范围以覆盖AT切割的晶体角度随温度的变化.所有温度均参考晶体拐点温度.系数值作为数字存储在芯片上的非易失性寄存器中.虽然理想的AT谐振器应遵循三阶曲线,但电路和晶体中的非线性要求包含更高阶项,以便获得与所需补偿电压曲线的匹配.晶体弯曲温度对于匹配曲线很重要,并且是必须可编程的变量之一,以便使用更宽范围的晶体.一些微型带状晶体可能具有高达40°C的弯曲,这使得精确的曲线拟合变得困难.
■集成振荡器功能
除了函数发生器之外,所有其他振荡器功能都包含在最新的芯片中.精密低压差(LDO)稳压器为所有片内电路供电.由于必须保持稳定的电压以实现所需的频率稳定性,因此必须使用精确的参考电压源.可以低至+2.7Vdc的操作.晶体振荡器驱动电路采用片内可编程晶体驱动电流,以适应各种晶体阻抗和频率.调节振荡器频率的电压可变电容器通常实现为MOS结构而不是传统的掺杂结型二极管.由于器件的低电压操作,需要相对高的调谐灵敏度,并且可能超过50ppm/V.

图2.集成的TCXOASIC.
输出调节电路缓冲来自负载的晶体和振荡器,并提供适当的输出电压电平.大多数ASIC可以提供CMOS方波或低功率1Vpk-pk限幅正弦波.可以使用用于实现VCXO功能的电子频率控制.几个字节的非专用用户存储器可用于存储序列号和其他特征数据,以提高自动化程度.
■精密AT晶体
如果是这样的话,没有高质量的晶体就不可能生产出精密的TCXO温补晶振.虽然在传统的双引线焊接封装中仍然可以生产出良好的晶体作为圆形坯料,但是它们的尺寸使它们无法用于许多微型振荡器设计中.这导致了AT条形晶体设计的发展,在小外形尺寸方面具有优异的性能.尽管运动电容较低,但是可以实现足够的调谐灵敏度以进行补偿.通过适当的空白设计,包装和精心加工,可以实现与传统圆形晶体相当或甚至更好的性能.老化率可以很低,每年达到ppm的一小部分.

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