解鎖精度探索TCXO技術的進步
來源：http://eitherspanlaw.com 作者：億金電子 2024年11月06
溫度補償晶振 （TCXO） 是一種在其振蕩回路中具有溫度敏感電抗電路的晶體振蕩器。在振蕩回路中具有溫度敏感電抗電路的重要性使 TCXO 能夠補償晶體固有的溫度特性范圍內的頻率誤差。當需要標準振蕩器 （XO） 或壓控振蕩器 （VCXO） 無法達到的溫度穩(wěn)定性水平時，TCXO 就是必需的。
一、TCXO 在電子系統(tǒng)中的作用
TCXO 用于許多電子系統(tǒng)，包括無線通信系統(tǒng)、手機、基站、電信、GPS 定位、汽車導航、計量和許多其他應用。TCXO 在其振蕩回路中有一個溫度敏感的電抗電路，以補償晶體單元的頻率-溫度特性。這使得振蕩器組件能夠在指定的溫度范圍內提供非常穩(wěn)定和準確的干凈穩(wěn)定的輸出頻率。
特征：
1.高頻穩(wěn)定性
2.低相位噪聲 + 抖動
3.電壓控制
3.電壓控制
4.低功耗
5.外形小巧
應用：
1.射頻通信
2.電信
3.聯(lián)網
4.物聯(lián)網
5.智能電表
6.工業(yè)
7.醫(yī)療
二、溫度補償在晶體振蕩器中的重要性
溫度補償是一種校準系統(tǒng)性能以補償溫度變化影響的方法。它可以顯著減少由溫度波動對石英晶體引起的頻率漂移量。它通過施加控制電壓來調整輸出頻率來實現(xiàn)這一點。溫度反饋通過 NTC 熱敏電阻提供，它告訴 ASIC 要向控制電壓增加多少補償。通過持續(xù)監(jiān)控和更新輸出頻率，TCXO 可以保持非常低的 PPM 甚至 PPB 穩(wěn)定性。
三、舊 TCXO 的限制
早期的 TCXO 為電路世界帶來了有利的優(yōu)勢，然而，TCXO 的早期概念也受到了嚴格的限制。當使用分立組件進行構建時，您會有更多的 slop，這也稱為“公差堆疊”。公差堆疊是電路設計中所有單個元件公差或其裝配的累積。每個組件都有自己的額定精度，您使用的零件越多，出現(xiàn)頻率誤差的可能性就越高。盡管在定義容差和精度方面存在困難，但在振蕩器中引入模擬補償網絡帶來了電氣設計的好處。TCXO 的一個意想不到的好處是，由于其分立設計，它能夠實現(xiàn)遠距離通信。該設計提供了頻率調整作為模擬補償（我們將在前面的段落中更深入地討論），但仍有需要改進的地方。
這方面的一個例子是頻率穩(wěn)定性，雖然穩(wěn)定性性能有了很大提高，但當設計在不同的溫度條件下時仍然存在挑戰(zhàn)。事實證明，功耗是另一個需要改進的領域。組件數量的增加意味著將有更多的電力消耗，這對早期的航海家來說很困難，因為在航行時很難產生動力。
四、現(xiàn)代 TCXO 技術
工程師和發(fā)明家繼續(xù)尋找優(yōu)化和發(fā)展頻率組件的方法。當今的現(xiàn)代 TCXO 設計融合了廣泛的新技術，可解決性能優(yōu)化的許多領域。先進材料、制造技術和電路架構的引入極大地提高了頻率穩(wěn)定性，降低了相位噪聲、抖動，并增強了當今 TCXO 的整體性能。使用現(xiàn)代制造工藝生產高質量的 AT 切割石英晶體坯料，使現(xiàn)代 TCXO 能夠實現(xiàn)分層級穩(wěn)定性。基于 ASIC 的現(xiàn)代 TCXO 的意外后果之一是從模擬補償到數字補償的轉變。基于 ASIC 的 TCXO 純粹是一個數字處理電路，它由一個非連續(xù)的電信號組成。從根本上說， TCXO 的功能是相同的，只是補償的應用方式不同。當溫度變化達到補償閾值時，數字補償會施加一個突然的電壓，立即將頻率移回中心頻率。這些突然的頻率校正稱為微跳躍。頻率的突然變化會使具有敏感頻率標準的電路難以保持功能。我們可以大大減少微跳轉的方法之一是使用偽模擬補償。使用模擬補償時，有一個連續(xù)的電信號，這會導致連續(xù)的溫度變化。通過回轉或抑制補償率，您可以最大限度地減少頻率的突然變化。Micro-jumps 可能會對使用 TCXO 作為其 clock的敏感處理和 PLL 電路造成問題。微跳轉的負面影響可能是 PLL 電路的數據丟失或失鎖。
接下來，我們將看一個繪圖圖，該圖顯示了數字補償與模擬補償在溫度范圍內的影響。這將直觀地顯示我們之前討論的數字補償中的頻率跳躍或微跳躍。視覺效果很好地描述了模擬補償在穩(wěn)定頻率和減輕微跳躍方面的積極影響。下面的藍色數字圖清楚地顯示了應用數字校正時出現(xiàn)的顯著頻率跳躍。micro-jumps 足夠大，足以導致依賴于此 clock的敏感電子設備出現(xiàn)問題。綠色模擬圖顯示了更線性的補償，幾乎沒有微跳轉。
五、溫度補償技術
TCXO 在芯片中內置了一個溫度傳感器，用于監(jiān)控溫度并自校準以校正頻率輸出。此過程有助于提供穩(wěn)定的輸出頻率，確保無縫的用戶體驗。TCXO 可以在特定溫度范圍內補償到特定的頻率穩(wěn)定性。例如，TCXO 可以補償到低于百萬分之 1 （ppm） 的工業(yè)工作溫度范圍為 -40°C 至 +85°C。TCXO 為依賴穩(wěn)定頻率輸出的設計帶來精確定時。溫度補償振蕩器非常適合用于穩(wěn)定的時鐘，如 Stratum、GPS、RF、家庭基站和移動連接應用。接下來，我們將看一個圖表，該圖表將直觀地顯示 TCXO 的工作原理。我們將查看未補償和未補償的頻率圖。圖中包括顯示 TCXO 隨溫度變化的補償頻率的繪圖數據。如果我們看一下下圖，我們就會看到溫度補償在實踐中是什么樣的。藍線表示所需的基本頻率。紅線表示標準振蕩器的頻率隨溫度變化。當我們沿著溫度范圍移動時，我們可以看到沿紅線的頻率發(fā)生了顯著變化。黑色虛線表示施加到控制電壓輸入的補償。
如您所見，它施加的反向信號幾乎與溫度變化引起的誤差完全匹配。綠線表示紅線和虛線的總和。如您所見，綠線的穩(wěn)定性要低得多，只有很小的頻率漂移。同樣的原理也用于噪聲和穩(wěn)定性精度至關重要的各種終端應用，例如降噪耳機。
六、未來趨勢和展望
隨著硅設計和石英晶體技術的改進。我們可以期待 TCXO 功能的許多進一步改進，這將提高整體性能和電流消耗。標準 TCXO 在溫度范圍內的穩(wěn)定性約為 ±2.5 ppm，穩(wěn)定性為 ±50 ppb。隨著技術的進步，我們可以預期更高級別的穩(wěn)定性需求將會增加?？紤]到未來的技術需求，ECS Inc. 發(fā)布了 Stratum 3E，它提供 ±4.6 ppm 的自由運行穩(wěn)定性，包括在 24 小時內保持 ±0.012 ppm。
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