該篇文章康比電子要介紹的260系列振蕩器的未來改進可能包括通過DDS提供調(diào)諧的產(chǎn)品版本.這有利于消除調(diào)諧電路對溫度和老化的影響.此外,目前正在進行一項研究,以充分了解濕度,壓力,振蕩器內(nèi)部氣體的熱系數(shù)以及熱滯后的影響.
精密石英晶體振蕩器在滿足從衛(wèi)星通信系統(tǒng)到電話基站和數(shù)字電話網(wǎng)絡(luò)的各種應(yīng)用需求方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用.這些應(yīng)用對當(dāng)今可用的頻率源提出了嚴(yán)格的要求,不僅是為了性能,也是為了降低成本.
必須實現(xiàn)整體小尺寸的基本設(shè)計目標(biāo),以便將預(yù)熱和連續(xù)運行期間的功率降至最低.它還將支持低零件數(shù)量的目標(biāo),從而降低成本,同時帶來更適合大規(guī)模制造環(huán)境的設(shè)計.
圖1:260系列結(jié)構(gòu)框圖
為了實現(xiàn)<2e-10/100℃的必要熱穩(wěn)定性和低相位噪聲,260系列設(shè)計采用封裝在雙烘箱中的SC切割石英晶體.圖1顯示了振蕩器的結(jié)構(gòu)框圖.石英晶體和維持電路位于內(nèi)爐內(nèi)部.然后,內(nèi)部烤箱組件被第二外部烤箱組件包圍.這為石英晶振和振蕩器元件提供了一個高度穩(wěn)定的溫控外殼,從而產(chǎn)生出色的熱穩(wěn)定性和低相位噪聲,尤其是在載波頻率低于1Hz的情況下.
如圖1中的框圖所示,內(nèi)部烤箱控制和輸出放大器電路也被外部烤箱組件包圍.這通過降低溫度變化對內(nèi)部烘箱控制和放大器電路的影響,提供了更好的熱穩(wěn)定性.
比較
過去幾年銣振蕩器的發(fā)展取得了進展——主要是在尺寸減小方面.然而,銣振蕩器的性能仍然存在某些固有的缺點.這些缺點的例子包括銣燈的有限壽命,振蕩器的總質(zhì)量,熱穩(wěn)定性,相位噪聲和功耗等等.
260系列尺寸為50.8毫米x50.8mm毫米x38.1mm毫米(0.098厘米),重量為150克.這種微型封裝在銣振蕩器不足的上述領(lǐng)域提供了卓越的性能.例如,在-30℃至+70℃的溫度范圍內(nèi),10兆赫茲(使用5兆赫茲晶體,然后加倍)260系列振蕩器的熱穩(wěn)定性為<2e-10,1Hz偏移相位噪聲特性為<-100分貝/赫茲,裝運時老化速率為<5e-11/天.相比之下,在-10℃至+60℃的溫度范圍內(nèi),相同參數(shù)下典型銣鐘的性能分別為<2e-10,<-85DBC/Hz(1hz偏移)和<2e-12/天.260系列振蕩器的老化速率以<5e-11的速率進行測量和交付,但許多5MHz單元在持續(xù)運行1至2個月后,目前的老化速率低至2至5e-12/天.表1提供了260系列振蕩器的性能與銣振蕩器制造商公布的一些性能結(jié)果的比較,該振蕩器采用10兆赫茲SC切割石英貼片晶振.
從表1中的數(shù)據(jù)可以看出,260系列振蕩器的性能相當(dāng),在某些情況下,超過銣振蕩器的性能.這使得260系列成為銣振蕩器的可行替代品,特別是在熱穩(wěn)定性提高和成本降低方面.對于無法權(quán)衡振蕩器老化速率的應(yīng)用,260系列可與一級頻率標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合使用,如羅蘭C,T1信號,全球定位系統(tǒng)等.,以約束振蕩器,從而提高長期穩(wěn)定性能.總的結(jié)果可以是一個頻率基準(zhǔn),石英的短期穩(wěn)定性和一級銫標(biāo)準(zhǔn)的長期穩(wěn)定性相結(jié)合.石英振蕩器提供濾波功能,允許在很大程度上消除傳輸介質(zhì)相對較大的抖動.
測試方法和結(jié)果
迄今為止,已經(jīng)制造了4至20兆赫的各種頻率的振蕩器.5兆赫和10兆赫的頻率構(gòu)成一個有統(tǒng)計意義的群體.討論的測試結(jié)果是針對這兩個頻率的振蕩器.
在生產(chǎn)過程中,對每個振蕩器的以下參數(shù)的性能特性進行評估:熱穩(wěn)定性,老化,相位噪聲,短期穩(wěn)定性和電源電壓靈敏度.下面是對這些參數(shù)的詳細(xì)討論.
耐熱性
溫度通常是石英晶體振蕩器幾周內(nèi)不穩(wěn)定的最大來源.260系列振蕩器采用雙烘箱配置,大大減弱了大的環(huán)境溫度變化.熱敏維持振蕩器電路和石英晶體容納在內(nèi)爐中,使得環(huán)境溫度變化的影響最小化.
例如,如果外烘箱控制電路能夠?qū)h(huán)境溫度變化衰減100倍,然后跟隨相似的內(nèi)烘箱增益,那么內(nèi)烘箱內(nèi)的溫度變化將理想地衰減10,000倍的環(huán)境溫度變化.因此,對于100℃的環(huán)境溫度變化,內(nèi)部烘箱中的溫度
示例僅相差0.01℃.我們可以進行一些粗略計算,以了解振蕩器電路和用上述烘箱控制電路穩(wěn)定的石英晶體的預(yù)期熱性能.
假設(shè)烘箱的溫度可以設(shè)置在晶體轉(zhuǎn)折點的0.1℃以內(nèi),具有86℃轉(zhuǎn)折點的5MHzSC切割晶振的溫度系數(shù)可以近似為8e-10/℃.元件的溫度系數(shù)估計為1e-09/℃.因此,對于烘箱溫度的0.01℃變化(由于100℃的環(huán)境溫度變化),振蕩器的熱穩(wěn)定性性能可以預(yù)期為8e-12+1e-11=1.8e-11
圖5MHz振蕩器的熱穩(wěn)定性
圖10MHz振蕩器的熱穩(wěn)定性
振蕩器在整個溫度范圍內(nèi)的性能特點是以10°C的步長將環(huán)境溫度從最低指定溫度掃描到最高指定溫度.然后溫度被掃回到如圖2和圖3的右軸所示的最小值.初始和最終25℃溫度點之間測得的頻率差
用于通過假設(shè)測試時間段內(nèi)的線性頻率漂移來抵消振蕩器頻率的任何漂移.圖2和圖3分別顯示了5兆赫和10兆赫振蕩器的熱穩(wěn)定性.
老化
裝運前確定每個振蕩器的每日漂移率.這是通過在10到20天的延長時間內(nèi)給裝置通電來實現(xiàn)的.在此期間,大約每隔2小時主動收集每個單元的數(shù)據(jù).每次讀數(shù)平均為10次頻率測量,門控時間為1秒.測量的漂移率通過統(tǒng)計擬合一條直線到全部或部分?jǐn)?shù)據(jù)集來確定.
圖4:5兆赫振蕩器的老化特性
5MHz振蕩器在408天內(nèi)的老化結(jié)果如圖4所示.這個振蕩器的老化率是每天4.8e-12.對于圖5中的10MHz振蕩器,老化速率為3.3e-11/天.這兩個數(shù)字中顯示的測量不是在同一時期進行的.
圖10MHz振蕩器的老化特性
圖4中數(shù)據(jù)的跳躍是由于長時間斷電造成的.有趣的是,在最初的兩次電源中斷期間,該振蕩器的初始回掃是8e-10,然而,在大約60天的連續(xù)操作之后,回掃值降低到2e-10.
在圖5中,一個無法解釋的頻率跳躍6e-9發(fā)生在第70天.有源晶振振蕩器在這種狀態(tài)下持續(xù)以相同的速率老化75天.此時,頻率跳回到原來的老化曲線.頻率偏移的原因未知.每次跳躍都可能是由電源中斷引起的.呈現(xiàn)的老化數(shù)據(jù)代表了與電源中斷和室溫,濕度和5℃的正常環(huán)境波動有關(guān)的真實生活情況.這些單位居住在生產(chǎn)層,因此也經(jīng)歷了大量的人類活動.
相位噪聲
圖5MHz振蕩器的相位噪聲結(jié)果
圖10MHz振蕩器的相位噪聲結(jié)果
相位噪聲測量是在HP3048A測試系統(tǒng)上使用兩個相似的振蕩器進行的.圖6和圖7分別顯示了5兆赫和10兆赫振蕩器的典型相位噪聲結(jié)果.顯示的圖表沒有說明相同的來源,因此,單個單元的實際性能比圖表中顯示的結(jié)果低3dB.
為了提供銣振蕩器的替代物,MTI-Milliren晶振技術(shù)公司設(shè)計并開發(fā)了一種超穩(wěn)定的耐熱石英晶體振蕩器(260系列).振蕩器的開發(fā)是為了在不增加成本和固有損耗現(xiàn)象的情況下保持銣振蕩器的可比性能參數(shù)至關(guān)重要的應(yīng)用,而損耗現(xiàn)象可能會損害系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo).
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