在過去幾年的市場中,小型蜂窩解決方案通過部署為獨立網絡或與傳統宏蜂窩集成,展示了其實現更高無線電密度和容量的能力.因此臺產TXC晶振公司,開發小型化的OCXO晶振以滿足嚴格的系統要求,已經引起了很多關注.2012年,TXC晶振公司使用AT切割晶體作為溫度傳感器,開發了數字信號處理-橢圓OCXO振蕩器(DSP-OCXO)的開發,顯示頻率可以達到±20.
加工結構的設計:
為了優化爐化結構,基于有限元模擬的熱分析用于研究爐的穩定性.首先,我們優化熱敏電阻的物理位置,并顯示熱敏電阻和加熱器之間相對位置對烤箱控制電路的影響.其次,提出了一種雙加熱器結構來提高烤箱的穩定性.擬議的OCXO的圖示如圖4所示,包括兩個加熱器(加熱器1和加熱器2),三個PCB層,一個熱敏電阻和一個溫補晶振.無源元件,如芯片電阻和電容被忽略了.
圖1.分析熱敏電阻的物理位置以優化烤箱結構.仿真結果表明,在-40至85℃的環境溫度下,熱敏電阻的溫度變化小于0.3°C.插圖分別表示在優化之前和之后環境溫度為-40℃時的溫度分布.
圖2.擬議的OCXO的熱分布
當環境溫度為85°C時,會出現模擬結果.可利用加熱器結構來改善爐的穩定性.(b)單加熱器和雙加熱器結構之間的晶振溫度的變化.(c)使用雙加熱器結構的溫度增量(T)與單加熱器結構相比較.
圖3.通過模擬和實驗獲得的在-40至85℃范圍內的環境溫度下25℃的晶體的溫度穩定性.
這里模擬.當熱敏電阻用作溫度傳感器時,精確的溫度檢測對于烤箱控制電路的反饋回路至關重要.例如,當熱敏電阻沒有完全接觸加熱器時,如圖5中的插圖所示,當加熱器的熱源設定在97.5°C而環境溫度為-40°時,熱敏電阻的溫度僅為85°CC.結果,在-40至85℃的環境溫度下獲得了超過8℃的熱敏電阻變化(圖1中的實線所示).這種大的變化表明,由于熱敏電阻的溫度遠低于從烤箱控制電路的反饋回路設定的參考溫度,因此晶體的過熱可能會出現低環境溫度條件.換句話說,這個結果意味著應仔細研究石英晶振和溫度傳感器之間的物理距離,以確定最合適的位置.為此,我們參數化地分析了熱敏電阻的物理位置.我們發現當熱敏電阻與加熱器1完全接觸時,如圖1(虛線)所示,可以實現溫度變化小于0.3°C的溫度變化.接下來,附加加熱器(加熱器2)的效果研究了烤箱結構的熱效率.可以看出,當加熱器2被移除時,從加熱器1到PCB1的巨大熱量損失可以被發現,如通過圖2(a)中的模擬獲得的熱分布所示.
如圖所示.在圖2(b)中,給出了一個加熱器和雙加熱器結構之間的晶體溫度的比較.當加熱器2提供額外的熱源時,加熱器中的熱分布更均勻,其中加熱器1和加熱器2的穩定步驟中的溫度設定為97.5℃,而環境溫度為85℃.為了量化使用雙加熱器結構的改進,研究了通過改變加熱器2的溫度同時保持加熱器1在97.5℃的參數分析.圖2(c)中的結果顯示了與單加熱器結構相比使用雙加熱器結構的溫度增量(ΔT),當加熱器2設定在97.5℃時,其中超過1.6℃得到改善.因此,考慮到雙加熱器結構,如圖7中的模擬結果所示,成功地實現了小于±0.1℃的晶體的爐內穩定性,而外部環境溫度在-40℃至85℃之間.
通過分析與加熱器相關的熱敏電阻的物理位置對烘箱結構進行參數優化,并考慮設備中使用的雙加熱器概念,下一步是實現小型化OCXO晶振.如圖7所示,獲得了通過實驗測量的小于±1℃的烘箱穩定性.應該注意的是,使用ACcut坯料作為溫度傳感器測量晶體的溫度,其在頻率和溫度之間具有很大的線性.因此,這反映出使用AT切割晶體可以使頻率穩定性達到±20ppb以下.圖8示出了當環境溫度為25℃時相應的輸出電流,其中預熱步驟和穩定步進的電流分別為320mA和150mA.此外,紅外熱量捕獲的相應熱圖像.
圖4.環境溫度為25°C時的輸出電流,其中預熱步驟和穩定步進電流分別為320mA和150mA.成像設備如圖5所示.觀察到溫度加熱器2的溫度約為95°C.
在本文中,我們開發了一種尺寸為9.7mmx7.5mm的高穩定性小型化石英晶體振蕩器.根據FEM模擬的熱分析用于優化結構化結構.已經表明,所提出的雙加熱器結構可以提高烤箱的穩定性.因此,實驗結果顯示高度穩定的烤箱性能在-40至85°C之間小于±1°C的變化,表明如果使用AT切割石英晶振,可以實現小于±20ppb的高頻穩定性.
圖5.紅外熱成像設備捕獲的熱分布,加熱器2的溫度約為95°C
按照目前的市場需求和動向來看,誰先掌握OCXO晶振小型化,低成本的量產方案和技術,無疑就是掌握了巨大的商機.TXC晶振公司生產的OE和OG的封裝尺寸分別是14.0*9.0mm,9.7*7.5mm等,這在業界里已經算是很小的了,但依然沒能達到用戶的需求,因為其他類型的振蕩器,如XO,TCXO,VCXO壓控晶振這些分類最小的尺寸都已達到1.6*1.2mm了,與之相比不能不說差距仍然很大.
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