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石英振荡子
石英振荡器
二极管DIODE
新型温度补偿技术 生产精密紧凑振荡器
  压控振荡器(VCXO)的温度补偿方法有模拟和数字两种,由于晶振本身和安装时额外产生的寄生振荡耦合的影响,小型晶振都会受到微扰的影响。本文介绍的Pluto模拟集成电路则可获得最佳的晶振稳定性,从而能够生产出精密和紧凑的振荡器。
  压控振荡器(VCXO)中的晶体要求在整个工作温度范围内保持最佳频率稳定性,这种晶体的频率-温度性能很大程度上取决于晶体面的法线和晶轴间的夹角,晶体切向合适时,晶体的频率-温度性能的总漂移可以控制在±10 ppm以内。这种反复出现的频率漂移可通过调节控制电压来纠正,几年前业界便已推出这种振荡器,通常称为温度补偿晶振器(TCXO);当用户可进行电压调节时,这种产品又称为温度补偿压控振荡器(TCVCXO)。
  温度补偿所需的三阶温度函数可以通过电热调节器网络实现,并通过配置经过测试选择(SOT)的电阻来订制每个晶振的性能。上世纪八十年代初,C-MAC就推出一种集成电路,可产生温度的多项式函数电压。不过仍然用SOT电阻来匹配需要补偿电压的多项式的各阶。
  上世纪九十年代初,随着模拟集成电路技术的发展,可通过增加非易失性存储器控制的数-模转换器来取代SOT电阻。C-MAC推出一种裸片,可产生高达六阶温度多项式函数,从而可提供经稳定性更高的补偿晶振。
  在TCVCXO中使用这种六阶器件时,我们发现非线度和温度均与电压调节有关,哪怕稍稍调节频率也会降低补偿精确度,这种效应称为牵引偏移,如图2所示。仔细挑选匹配振荡器中的元件可获得所需的线性度,不过这就意味着完全集成的小型TCVCXO无法获得最高稳定性。此外,由于在整个工作温度范围内调节灵敏度会有所变化,因此无法完全避免补偿精度的降低。因此,C-MAC开发了另一种新的补偿技术,这种补偿技术针对与电压调节有关的线性度和温度。除了大幅减少调节引起的误差外,这些技术使得温度补偿为四阶的Pluto裸片获得原先六阶技术才能实现的预调节精度。
  C-MAC最新推出的一批TCXO和 TCVCXO采用一种客户订制的Pluto模拟集成电路。Pluto的电源电压低至2.4V。如此小范围的调节电压需要使用与阀值接近的超陡特性变容二极管或MOSFET以获得所需的牵引。由于超陡变容二极管通常不集成到电路中,而MOSFET的稳定性也无法达到要求,因此C-MAC通过在IC中集成一个电压乘法充电泵来获得较高的控制电压。
  模拟与数字补偿的比较
  模拟和数字电路均可用于产生温度补偿信号。其局限性如下:模拟电路难以实现复杂的功能;而数字电路则受元件间隔尺寸影响,太小的间隔有时会在锁相环中引起问题。采用Σ-Δ技术或频域等价算法可将数字化中固有的间隔问题会转化成无法控制的噪声。不过,与模拟系统相比,目前小间隔的数字系统所需的裸片尺寸大,功耗也大。此外,在小裸片上,由于数字处理时钟和振荡信号的相互作用,可能会产生寄生频率。Pluto中采用模拟技术来执行一个算法,可对通过小晶体和小尺寸获得的稳定性进行优化。
  小型TCVCXO在实际补偿中的局限性
  当变容二极管反向偏置时,变容二极管上的信号电压增加,这样通常可更大程度地恢复原来调整时损失的牵引电压。
  尽管正确切割的晶体中的频率-温度性能为第三阶,不过由于晶振本身和安装时额外产生的寄生振荡耦合的影响,几乎所有的晶振都达不到理想情况。不过只有当标称频率和寄生频率接近时,耦合效应才会非常明显。由于寄生振荡模式与固有振荡的温度系数相差颇多,并产生了较大的微扰,当温度范围较小时这种微扰可能仅仅是几度(℃)的变化。
  而对于常见的标称频率,在开发小型晶振时通常将这种微扰限制在±0.5ppm范围内,而合格率较好的器件则限制在0.2ppm以内。原则上人们会认为可以对这些微扰进行补偿,但实际操作起来有一定困难。在调节振荡器时,它的温度会改变(调节500ppm时改变约1摄氏度),此外也会随时间和过程改变。多数情况下,可将这种微扰补偿为原来的三分之一。然而,这种频率微扰形式多变,因此需要采用复杂的公式对它进行补偿,而在小裸片上是不现实的。
  Pluto裸片可将所有其它的温度相关误差补偿到±0.1ppm以内,剩余的则主要为五阶Chebyshev成分。由于在补偿过程中将微扰纳入了考虑,可以将整体补偿控制到±0.25ppm以内。
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