Rakon高穩(wěn)定性TCXO Oscillator使用步驟
來源：http://m.hhamai.cn 作者：金洛鑫電子 2019年03月26
在網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘，搜救衛(wèi)星系統(tǒng)，無線基站平臺(tái)，導(dǎo)航定位，雷達(dá)等產(chǎn)業(yè)，都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是產(chǎn)品制造商廣泛采用TCXO溫補(bǔ)晶振，做為電路板里的主要晶振。因?yàn)門CXO是所有Oscillator系列里，頻率容差精準(zhǔn)度最高的，±0.5ppm~±2.0ppm可用，新西蘭Rakon晶振公司自己設(shè)計(jì)，開發(fā)，生產(chǎn)的TCXO Oscillator系列，穩(wěn)定性在行業(yè)里算是比較高的。本文的主要目的是為了表示溫補(bǔ)晶體振蕩器通過VC-TCXO調(diào)節(jié)頻率，以及實(shí)用步驟與方法，參照型號是Rakon旗下的CFPT9，RFPT，RPT7050和RPT5032系列產(chǎn)品。
Rakon開發(fā)了一系列微型TCXO，能夠提供低于±100ppb的頻率穩(wěn)定性。器件提供多種封裝形式，7.0x5.0mm和5.0x3.2mm表面貼裝形式，通常適用于批量應(yīng)用。推動(dòng)這一性能的補(bǔ)償引擎是Rakon專有的ASICPluto™及其后續(xù)產(chǎn)品Pluto+™。這些ASIC提供真正的模擬補(bǔ)償，沒有數(shù)字化誤差，從而在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑的頻率特性。除了出色的補(bǔ)償性能外，TCXO還具有優(yōu)于1％的頻率調(diào)諧線性性能。
這種性能水平使TCXO能夠在之前已經(jīng)指定過OCXO晶振的應(yīng)用中使用。TCXO將在電氣，熱和機(jī)械穩(wěn)定和安靜的系統(tǒng)環(huán)境中提供最佳性能。實(shí)際應(yīng)用中不可避免地存在噪聲和不穩(wěn)定性，本文檔旨在考慮其影響，并概述可以采取的一些指導(dǎo)原則和實(shí)際步驟，以確保實(shí)現(xiàn)最佳性能。
溫度補(bǔ)償：
隨著晶體溫度在器件的工作溫度范圍內(nèi)變化，自由運(yùn)行的晶體振蕩器表現(xiàn)出頻率的顯著變化。使用溫度補(bǔ)償，這種頻率不穩(wěn)定性與溫度的關(guān)系可提高約兩個(gè)數(shù)量級。
圖1：簡單晶體振蕩器（XO）
圖2：頻率穩(wěn)定性與溫度的關(guān)系
圖3：補(bǔ)償后的頻率與溫度特性
Rakon晶振生產(chǎn)的每一件TCXO都是制造工藝的一部分。表征在精心控制的測試環(huán)境中進(jìn)行，該環(huán)境提供穩(wěn)定的熱環(huán)境，以確保在進(jìn)行頻率測量時(shí)振蕩器的晶體和溫度傳感組件處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。根據(jù)這些頻率測量值計(jì)算出最小化頻率誤差隨溫度變化所需的補(bǔ)償電壓。因此，當(dāng)振蕩器的工作環(huán)境具有與用于器件表征的制造測試環(huán)境相同的穩(wěn)定熱特性時(shí)，將提供最佳的TCXO性能。
當(dāng)然，Rakon用于表征的物理，電氣和熱環(huán)境與最終用戶應(yīng)用所呈現(xiàn)的環(huán)境之間存在顯著差異。在理想的振蕩器溫度控制系統(tǒng)中，石英晶體的有效區(qū)域和溫度傳感元件將經(jīng)歷相同的溫度和相同的溫度變化。在這些條件下，由于石英晶體和溫度傳感器之間的溫差，補(bǔ)償中不會(huì)出現(xiàn)誤差分量。然而，要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，兩個(gè)組件將需要占用設(shè)備內(nèi)完全相同的物理空間，這是不可能的。在實(shí)踐中，振蕩器被設(shè)計(jì)成最小化晶體和溫度傳感器之間的任何溫差，并且非常小心以確保它們之間的物理分離和熱阻抗最小化。
必須將熱管理原理擴(kuò)展到系統(tǒng)環(huán)境，在這種環(huán)境中，當(dāng)石英晶體和溫度傳感器之間的溫度梯度最小化時(shí)，將再次實(shí)現(xiàn)最佳性能。此外，由于溫度傳感器位于具有所有其他有源電路的TCXO ASIC上，因此必須注意保持振蕩器的功耗恒定，以免影響傳感器和晶體之間的溫度相關(guān)性。
創(chuàng)造安靜的熱環(huán)境-熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)：
對流，傳導(dǎo)和輻射的作用都會(huì)產(chǎn)生熱梯度，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)仔細(xì)考慮這些機(jī)制的影響。石英晶體振蕩器的理想環(huán)境是溫度穩(wěn)定且在器件的所有側(cè)面均勻的環(huán)境。當(dāng)然，在實(shí)踐中，振蕩器的基座焊接到印刷電路板上，而其頂面可能處于靜止或強(qiáng)制空氣中，并且來自這兩個(gè)表面的熱傳遞速率將是不同的。另外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布局可能要求振蕩器靠近一個(gè)面上的功率部件，而相對的面暴露于來自冷卻風(fēng)扇的強(qiáng)制空氣。同樣，目標(biāo)是避免這些差異，并盡可能減少它們無法避免的影響。
如果設(shè)計(jì)允許，最好將振蕩器與以下效果隔離：
1.高功耗元件引起的設(shè)備局部熱點(diǎn)
2.來自冷卻風(fēng)扇的強(qiáng)制空氣流動(dòng)
3.可見光和紅外頻段的輻射能量
4.跟蹤振蕩器下方（特別是密集的地平面），可以通過傳導(dǎo)增加傳熱
通過在OSCillator設(shè)計(jì)中加入蓋子可以減弱這些影響。這將使裝置免受對流和輻射的直接影響，并將減少上述（1），（2）和（3）的影響。封閉的（靜止）空氣體積還將提供隔熱板，減少熱瞬態(tài)的影響。
Rakon為此提供塑料蓋（P/NPCV00015AA1）。為了安裝蓋鉆4個(gè)孔（直徑0.7毫米，x=13.5毫米，y=8.5毫米），與TCXO位置等距，如下圖所示：
圖4：塑料蓋定位孔草圖
蓋子需要用粘合劑固定?？梢允褂萌魏芜m合于將部件粘合到印刷電路板上的粘合劑。實(shí)例是Loctite 3220和EpotekTJ1104-LH（以前稱為Epotek102-104）。這些示例僅供參考-用戶仍負(fù)責(zé)評估其應(yīng)用的適用性。
圖5：將正弦波截?cái)酁镃MOS緩沖器
通過保持振蕩器下方的區(qū)域不受高導(dǎo)電性金屬跟蹤和通過在印刷電路板中引入槽以在熱傳導(dǎo)路徑中產(chǎn)生不連續(xù)性，可以最小化通過傳導(dǎo)的熱傳遞。
晶振本身就是一種比較脆弱的電子元器件，容易因?yàn)椴僮魃系氖д`，或外界因素而導(dǎo)致故障或不起振，所以在使用的時(shí)候，要嚴(yán)格按照要求和正確的步驟布置。更多關(guān)于TCXO Oscillator實(shí)用性資料，歡迎關(guān)注收藏http://m.hhamai.cn，我司金洛鑫電子將會(huì)源源不斷的提供石英晶體和各類石英晶體振蕩器的技術(shù)資料和理論知識。
Rakon開發(fā)了一系列微型TCXO，能夠提供低于±100ppb的頻率穩(wěn)定性。器件提供多種封裝形式，7.0x5.0mm和5.0x3.2mm表面貼裝形式，通常適用于批量應(yīng)用。推動(dòng)這一性能的補(bǔ)償引擎是Rakon專有的ASICPluto™及其后續(xù)產(chǎn)品Pluto+™。這些ASIC提供真正的模擬補(bǔ)償，沒有數(shù)字化誤差，從而在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑的頻率特性。除了出色的補(bǔ)償性能外，TCXO還具有優(yōu)于1％的頻率調(diào)諧線性性能。
這種性能水平使TCXO能夠在之前已經(jīng)指定過OCXO晶振的應(yīng)用中使用。TCXO將在電氣，熱和機(jī)械穩(wěn)定和安靜的系統(tǒng)環(huán)境中提供最佳性能。實(shí)際應(yīng)用中不可避免地存在噪聲和不穩(wěn)定性，本文檔旨在考慮其影響，并概述可以采取的一些指導(dǎo)原則和實(shí)際步驟，以確保實(shí)現(xiàn)最佳性能。
溫度補(bǔ)償：
隨著晶體溫度在器件的工作溫度范圍內(nèi)變化，自由運(yùn)行的晶體振蕩器表現(xiàn)出頻率的顯著變化。使用溫度補(bǔ)償，這種頻率不穩(wěn)定性與溫度的關(guān)系可提高約兩個(gè)數(shù)量級。
圖1：簡單晶體振蕩器（XO）
圖2：頻率穩(wěn)定性與溫度的關(guān)系
圖3：補(bǔ)償后的頻率與溫度特性
當(dāng)然，Rakon用于表征的物理，電氣和熱環(huán)境與最終用戶應(yīng)用所呈現(xiàn)的環(huán)境之間存在顯著差異。在理想的振蕩器溫度控制系統(tǒng)中，石英晶體的有效區(qū)域和溫度傳感元件將經(jīng)歷相同的溫度和相同的溫度變化。在這些條件下，由于石英晶體和溫度傳感器之間的溫差，補(bǔ)償中不會(huì)出現(xiàn)誤差分量。然而，要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，兩個(gè)組件將需要占用設(shè)備內(nèi)完全相同的物理空間，這是不可能的。在實(shí)踐中，振蕩器被設(shè)計(jì)成最小化晶體和溫度傳感器之間的任何溫差，并且非常小心以確保它們之間的物理分離和熱阻抗最小化。
必須將熱管理原理擴(kuò)展到系統(tǒng)環(huán)境，在這種環(huán)境中，當(dāng)石英晶體和溫度傳感器之間的溫度梯度最小化時(shí)，將再次實(shí)現(xiàn)最佳性能。此外，由于溫度傳感器位于具有所有其他有源電路的TCXO ASIC上，因此必須注意保持振蕩器的功耗恒定，以免影響傳感器和晶體之間的溫度相關(guān)性。
創(chuàng)造安靜的熱環(huán)境-熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)：
對流，傳導(dǎo)和輻射的作用都會(huì)產(chǎn)生熱梯度，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)仔細(xì)考慮這些機(jī)制的影響。石英晶體振蕩器的理想環(huán)境是溫度穩(wěn)定且在器件的所有側(cè)面均勻的環(huán)境。當(dāng)然，在實(shí)踐中，振蕩器的基座焊接到印刷電路板上，而其頂面可能處于靜止或強(qiáng)制空氣中，并且來自這兩個(gè)表面的熱傳遞速率將是不同的。另外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布局可能要求振蕩器靠近一個(gè)面上的功率部件，而相對的面暴露于來自冷卻風(fēng)扇的強(qiáng)制空氣。同樣，目標(biāo)是避免這些差異，并盡可能減少它們無法避免的影響。
如果設(shè)計(jì)允許，最好將振蕩器與以下效果隔離：
1.高功耗元件引起的設(shè)備局部熱點(diǎn)
2.來自冷卻風(fēng)扇的強(qiáng)制空氣流動(dòng)
3.可見光和紅外頻段的輻射能量
4.跟蹤振蕩器下方（特別是密集的地平面），可以通過傳導(dǎo)增加傳熱
通過在OSCillator設(shè)計(jì)中加入蓋子可以減弱這些影響。這將使裝置免受對流和輻射的直接影響，并將減少上述（1），（2）和（3）的影響。封閉的（靜止）空氣體積還將提供隔熱板，減少熱瞬態(tài)的影響。
Rakon為此提供塑料蓋（P/NPCV00015AA1）。為了安裝蓋鉆4個(gè)孔（直徑0.7毫米，x=13.5毫米，y=8.5毫米），與TCXO位置等距，如下圖所示：
圖4：塑料蓋定位孔草圖
圖5：將正弦波截?cái)酁镃MOS緩沖器
晶振本身就是一種比較脆弱的電子元器件，容易因?yàn)椴僮魃系氖д`，或外界因素而導(dǎo)致故障或不起振，所以在使用的時(shí)候，要嚴(yán)格按照要求和正確的步驟布置。更多關(guān)于TCXO Oscillator實(shí)用性資料，歡迎關(guān)注收藏http://m.hhamai.cn，我司金洛鑫電子將會(huì)源源不斷的提供石英晶體和各類石英晶體振蕩器的技術(shù)資料和理論知識。
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