對有源晶振而言,電路電壓和環(huán)境溫度是直接影響晶振標(biāo)稱頻率變化的兩個因素。通常用PPM(百萬分之一)來表示晶振受環(huán)境影響而產(chǎn)生變化的大小,PPM是一個相對變化量,也是對標(biāo)稱頻率變化的一個評判單位,時鐘源有兩個重要指標(biāo),穩(wěn)定度和準確度。準確度是指標(biāo)稱頻率的偏差值,專業(yè)術(shù)語稱之為精度誤差,精度誤差=(絕對誤差量/標(biāo)稱量)× ppm。穩(wěn)定度是指隨晶振外部因素變化而產(chǎn)生的變化量,專業(yè)術(shù)語叫頻率偏差。頻率偏差的計算方式頻率偏差=標(biāo)稱值X誤差值。
例如,一只標(biāo)稱值10MHz、誤差±20ppm、溫度范圍-20℃~+70℃的晶振,它的含義是在給定的溫度范圍內(nèi),這只晶振的頻率誤差范圍是:±(10MHz × 20ppm)=±200Hz.也就是晶振的頻率將在9.9998MHz至10.0002MHz之間。
普通OSC是有源晶振類的一種較為簡單的晶振,這是最基本的類型,其穩(wěn)定性完全由石英晶體(晶體諧振器)本身的固有特性決定。任何振蕩器中的關(guān)鍵部件都是石英晶體(晶體諧振器),它將控制頻率并確定可以實現(xiàn)哪種水平的穩(wěn)定性。較高頻率范圍的MHZ晶體都由石英棒制成,其制造工藝應(yīng)滿足:即使環(huán)境溫度在-55℃至+125℃(-67°F至 +257°F)之間變化,也可提供相對穩(wěn)定的頻率。即使在這么寬的溫度范圍內(nèi),適當(dāng)切割的石英晶體也可實現(xiàn)±25ppm的穩(wěn)定性。與諸如隨溫度變化可達1%(10,000ppm)或更高的LC振蕩電路等其它無源諧振器相比,晶體振蕩器的性能有了根本提升。盡管采用LC或RC諧振器實現(xiàn)的簡單振蕩器可滿足一些應(yīng)用的要求,但對于某些應(yīng)用來說,即使25ppm也不夠好,因此必須采用額外措施。以下加科推薦三種高端的有源晶振。
1,溫度補償晶振(TCXO)
如果固有頻率與石英晶體的溫度穩(wěn)定性不能滿足應(yīng)用要求,可以采用溫度補償晶振,簡稱溫補振蕩器,TCXO為其英文縮寫。 TCXO的工作原理即為:使用溫度感測器件以及產(chǎn)生電壓曲線的電路,在整個溫度范圍內(nèi),該電壓曲線與晶體的頻率變化趨勢完全相反,可理想的對溫度進行補償從而抵消因溫度環(huán)境而產(chǎn)生的頻率漂移。TCXO的精度誤差控制在±0.5ppm至±5ppm,若判斷普通有源晶振在惡劣環(huán)境下因溫度而產(chǎn)生性能不穩(wěn)定的情況,溫補振蕩器是最佳選擇!
2,恒溫控制晶振(OCXO)
對于某些應(yīng)用,TCXO的頻率-溫度穩(wěn)定性指標(biāo)仍無法滿足要求。在這些情況下,可能需要OCXO。顧名思義,具有烤腔的振蕩器將晶體加熱到更高溫度,該被控溫度使得即使環(huán)境溫度可能變化很大,晶體的溫度也保持穩(wěn)定。由于晶體的溫度和振蕩器的敏感部分的變化很小,頻率-環(huán)境溫度穩(wěn)定性得到顯著改善。在環(huán)境溫度范圍內(nèi),OCXO的穩(wěn)定性可以達到0.001ppm。然而,這種穩(wěn)定性的提升是以增加功耗為代價的,將熱量提供給烤腔當(dāng)然需要能量。典型的OCXO可能需要1到5W的功率來維持內(nèi)部溫度。在開機后,還需要等待溫度和頻率穩(wěn)定下來的暖機時間,取決于晶振類型,暖機時長通常從1分鐘到10多分鐘。
3,壓控晶振(VCXO)
在一些應(yīng)用中,期望能夠調(diào)諧或調(diào)整振蕩器的頻率,以便將其鎖相到鎖相環(huán)中的參考、或還可能是對波形進行調(diào)制。VCXO通過電子頻率控制(EFC)電壓輸入提供此功能。對于某些專用器件,VCXO的調(diào)諧范圍規(guī)范可能在±10ppm到±100ppm(甚至更高)。VC-TCXO(壓控溫補振蕩器)和VC-OCXO(壓控恒溫晶振):TCXO或OCXO通常包括EFC輸入電壓。這就允許進行調(diào)整,以便將輸出頻率精確地校準為標(biāo)稱值。
為了使用晶振工作時的振蕩頻率盡可能穩(wěn)定,一方面要提高電源電路的穩(wěn)定性,另一方面應(yīng)該設(shè)法使工作環(huán)境的溫度保持恒定。工作環(huán)境的空氣流通情況對晶振工作溫度有很大的影響,需要對空氣的流通情況進行一定的控制,相對封閉的環(huán)境條件下電路正常工作的溫度的穩(wěn)定性要好一些。使用外殼或樹脂等將電路封閉起來有助于提高工作溫度的穩(wěn)定性。在對晶振工作頻率穩(wěn)定性有極高要求的場合,人們甚至將電路按放在恒溫箱中。
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