高精度微小型Greenray溫補晶振的設計技術
來源：http://www.benpai.com.cn 作者：金洛鑫電子 2019年07月23
美國Greenray Industries,Inc.公司是專業的TCXO晶振設計,開發,生產和銷售為一體的企業,每一款產品都具有獨特的”個性”,Greenray晶振公司自主研發的溫補晶振不僅體積小,而且精度非常高,部分料號甚至可以達到±0.1ppm,電源電壓一般不超過+3.3V,應用產品范圍廣泛,制造中的每一個環節,都實行嚴格的管理,力求每一顆都達到近乎完美,部分具有低相位噪聲,高穩定性,低G靈敏度等優良特性.
自從使用石英晶體作為頻率控制裝置以來,一直在尋求改善其溫度穩定性.在簡要回顧了石英晶體振蕩器溫度補償的歷史后,本文將介紹TCXO溫度補償技術及相關晶體諧振器的最新技術.當第一個晶體振蕩器建于20世紀20年代時,唯一可用的晶體,如X切割,表現出較差的溫度性能.AT切割晶體的發展是使溫度補償可行的重要一步.AT切割提供了相對平坦的頻率與溫度曲線,以+25°C為中心.直到20世紀40年代中期,晶體的老化和溫度特性還不足以使精確校正變得可行.泄漏的封裝導致老化漂移不良,晶體板和晶圓設計的缺陷導致晶體具有嚴重的活動下降和耦合模式.這產生了顯著的頻率擾動,限制了任何補償嘗試的有效性.但是,石英板設計和晶體封裝(如冷焊接頭)的進步使得生產具有相對平滑的頻率與溫度曲線的晶體成為可能,并且老化速率低至每個1x10-9(或1x10-3ppm)天.
■熱敏電阻/電阻網絡補償
熱敏電阻/電阻TCXO已成為晶體振蕩器溫度補償的主要支柱,已有50年歷史.由一個或多個熱敏電阻的網絡產生的校正電壓抵消了電壓控制的壓控晶體振蕩器的頻率與溫度的變化.電壓可變電容變容二極管的引入以及負溫度系數熱敏電阻的改進使得可以更精確地補償晶體.早在1961年,補償比率就超過了100比1.這表明在整個溫度范圍內峰峰值偏差為40ppm的晶體可以補償到0.4ppm的水平.今天,兩個數量級的比率大約是熱敏電阻/電阻補償的極限,盡管通過改進的自動化系統和計算機分析能力來實現這一水平.但即使在今天,實現優于0.5ppm的穩定性也需要多次溫度運行并使用至少三個熱敏電阻重復進行網絡調整.使用電阻器微調或熱敏電阻靈敏度的數字調整來自動補償過程的一些嘗試已經取得了一定的成功,但這些配置無法輕松集成以滿足小封裝尺寸要求.
■數字溫度補償
到20世紀70年代后期,集成電路技術的進步使得實現采用模數轉換和固態存儲器的補償系統變得切實可行.盡管按照今天的標準實施這些實施方案,但數字TCXO的性能優于0.1ppm,是由Rockwell Collins和Greenray Industries等多家晶振廠家生產的.多年來已經開發出其他數字實現,其中許多具有嵌入式計算能力以促進校準和系統操作.一些采用精細的溫度測量方案,如雙模晶體自身溫度傳感.盡管這些設計中的一些實現了0.05ppm或更高的溫度穩定性,但它們是更大且相對復雜的組件,通常具有寄生噪聲產生問題.
■模擬集成
隨著大規模集成的能力不斷擴大,可以將溫度補償所需的更多功能納入單個IC.這導致了當前的ASIC產品,只需兩個組件即可構建精密模擬TCXO:ASIC和石英晶振.為TCXO應用而出現的最新器件是復雜的大規模集成了精密模擬功能的IC,非易失性數字存儲,變容二極管和RF振蕩器電路.圖2示出了通用設備的框圖.雖然第一代制造產生了相對較大的芯片,但幾何尺寸的減小產生了更小的IC,使得完整精密的TCXO能夠安裝在小至3.2mmx5mm的封裝中.
■多項式函數發生器
ASIC的核心是多項式函數發生器引擎.目標是產生一個溫度變化的電壓,該電壓與VCXO電壓相匹配,以保持振蕩器頻率在整個溫度范圍內精確地保持標稱值.從線性溫度傳感器開始,然后使用一系列模擬乘法,模擬高階多項式的系數.此功能描述為:
其中a0到a5是要生成的多項式的系數,T是當前溫度,Ti是晶體的拐點溫度(晶體曲線相對于下轉折點和上轉折點居中的溫度,通常在+左右)26°C).校準變量的調整范圍以覆蓋AT切割的晶體角度隨溫度的變化.所有溫度均參考晶體拐點溫度.系數值作為數字存儲在芯片上的非易失性寄存器中.雖然理想的AT諧振器應遵循三階曲線,但電路和晶體中的非線性要求包含更高階項,以便獲得與所需補償電壓曲線的匹配.晶體彎曲溫度對于匹配曲線很重要,并且是必須可編程的變量之一,以便使用更寬范圍的晶體.一些微型帶狀晶體可能具有高達40°C的彎曲,這使得精確的曲線擬合變得困難.
■集成振蕩器功能
除了函數發生器之外,所有其他振蕩器功能都包含在最新的芯片中.精密低壓差(LDO)穩壓器為所有片內電路供電.由于必須保持穩定的電壓以實現所需的頻率穩定性,因此必須使用精確的參考電壓源.可以低至+2.7Vdc的操作.晶體振蕩器驅動電路采用片內可編程晶體驅動電流,以適應各種晶體阻抗和頻率.調節振蕩器頻率的電壓可變電容器通常實現為MOS結構而不是傳統的摻雜結型二極管.由于器件的低電壓操作,需要相對高的調諧靈敏度,并且可能超過50ppm/V.
圖2.集成的TCXOASIC.
輸出調節電路緩沖來自負載的晶體和振蕩器,并提供適當的輸出電壓電平.大多數ASIC可以提供CMOS方波或低功率1Vpk-pk限幅正弦波.可以使用用于實現VCXO功能的電子頻率控制.幾個字節的非專用用戶存儲器可用于存儲序列號和其他特征數據,以提高自動化程度.
■精密AT晶體
如果是這樣的話,沒有高質量的晶體就不可能生產出精密的TCXO溫補晶振.雖然在傳統的雙引線焊接封裝中仍然可以生產出良好的晶體作為圓形坯料,但是它們的尺寸使它們無法用于許多微型振蕩器設計中.這導致了AT條形晶體設計的發展,在小外形尺寸方面具有優異的性能.盡管運動電容較低,但是可以實現足夠的調諧靈敏度以進行補償.通過適當的空白設計,包裝和精心加工,可以實現與傳統圓形晶體相當或甚至更好的性能.老化率可以很低,每年達到ppm的一小部分.
自從使用石英晶體作為頻率控制裝置以來,一直在尋求改善其溫度穩定性.在簡要回顧了石英晶體振蕩器溫度補償的歷史后,本文將介紹TCXO溫度補償技術及相關晶體諧振器的最新技術.當第一個晶體振蕩器建于20世紀20年代時,唯一可用的晶體,如X切割,表現出較差的溫度性能.AT切割晶體的發展是使溫度補償可行的重要一步.AT切割提供了相對平坦的頻率與溫度曲線,以+25°C為中心.直到20世紀40年代中期,晶體的老化和溫度特性還不足以使精確校正變得可行.泄漏的封裝導致老化漂移不良,晶體板和晶圓設計的缺陷導致晶體具有嚴重的活動下降和耦合模式.這產生了顯著的頻率擾動,限制了任何補償嘗試的有效性.但是,石英板設計和晶體封裝(如冷焊接頭)的進步使得生產具有相對平滑的頻率與溫度曲線的晶體成為可能,并且老化速率低至每個1x10-9(或1x10-3ppm)天.
■熱敏電阻/電阻網絡補償
熱敏電阻/電阻TCXO已成為晶體振蕩器溫度補償的主要支柱,已有50年歷史.由一個或多個熱敏電阻的網絡產生的校正電壓抵消了電壓控制的壓控晶體振蕩器的頻率與溫度的變化.電壓可變電容變容二極管的引入以及負溫度系數熱敏電阻的改進使得可以更精確地補償晶體.早在1961年,補償比率就超過了100比1.這表明在整個溫度范圍內峰峰值偏差為40ppm的晶體可以補償到0.4ppm的水平.今天,兩個數量級的比率大約是熱敏電阻/電阻補償的極限,盡管通過改進的自動化系統和計算機分析能力來實現這一水平.但即使在今天,實現優于0.5ppm的穩定性也需要多次溫度運行并使用至少三個熱敏電阻重復進行網絡調整.使用電阻器微調或熱敏電阻靈敏度的數字調整來自動補償過程的一些嘗試已經取得了一定的成功,但這些配置無法輕松集成以滿足小封裝尺寸要求.
到20世紀70年代后期,集成電路技術的進步使得實現采用模數轉換和固態存儲器的補償系統變得切實可行.盡管按照今天的標準實施這些實施方案,但數字TCXO的性能優于0.1ppm,是由Rockwell Collins和Greenray Industries等多家晶振廠家生產的.多年來已經開發出其他數字實現,其中許多具有嵌入式計算能力以促進校準和系統操作.一些采用精細的溫度測量方案,如雙模晶體自身溫度傳感.盡管這些設計中的一些實現了0.05ppm或更高的溫度穩定性,但它們是更大且相對復雜的組件,通常具有寄生噪聲產生問題.
■模擬集成
隨著大規模集成的能力不斷擴大,可以將溫度補償所需的更多功能納入單個IC.這導致了當前的ASIC產品,只需兩個組件即可構建精密模擬TCXO:ASIC和石英晶振.為TCXO應用而出現的最新器件是復雜的大規模集成了精密模擬功能的IC,非易失性數字存儲,變容二極管和RF振蕩器電路.圖2示出了通用設備的框圖.雖然第一代制造產生了相對較大的芯片,但幾何尺寸的減小產生了更小的IC,使得完整精密的TCXO能夠安裝在小至3.2mmx5mm的封裝中.
■多項式函數發生器
ASIC的核心是多項式函數發生器引擎.目標是產生一個溫度變化的電壓,該電壓與VCXO電壓相匹配,以保持振蕩器頻率在整個溫度范圍內精確地保持標稱值.從線性溫度傳感器開始,然后使用一系列模擬乘法,模擬高階多項式的系數.此功能描述為:
其中a0到a5是要生成的多項式的系數,T是當前溫度,Ti是晶體的拐點溫度(晶體曲線相對于下轉折點和上轉折點居中的溫度,通常在+左右)26°C).校準變量的調整范圍以覆蓋AT切割的晶體角度隨溫度的變化.所有溫度均參考晶體拐點溫度.系數值作為數字存儲在芯片上的非易失性寄存器中.雖然理想的AT諧振器應遵循三階曲線,但電路和晶體中的非線性要求包含更高階項,以便獲得與所需補償電壓曲線的匹配.晶體彎曲溫度對于匹配曲線很重要,并且是必須可編程的變量之一,以便使用更寬范圍的晶體.一些微型帶狀晶體可能具有高達40°C的彎曲,這使得精確的曲線擬合變得困難.
■集成振蕩器功能
除了函數發生器之外,所有其他振蕩器功能都包含在最新的芯片中.精密低壓差(LDO)穩壓器為所有片內電路供電.由于必須保持穩定的電壓以實現所需的頻率穩定性,因此必須使用精確的參考電壓源.可以低至+2.7Vdc的操作.晶體振蕩器驅動電路采用片內可編程晶體驅動電流,以適應各種晶體阻抗和頻率.調節振蕩器頻率的電壓可變電容器通常實現為MOS結構而不是傳統的摻雜結型二極管.由于器件的低電壓操作,需要相對高的調諧靈敏度,并且可能超過50ppm/V.
輸出調節電路緩沖來自負載的晶體和振蕩器,并提供適當的輸出電壓電平.大多數ASIC可以提供CMOS方波或低功率1Vpk-pk限幅正弦波.可以使用用于實現VCXO功能的電子頻率控制.幾個字節的非專用用戶存儲器可用于存儲序列號和其他特征數據,以提高自動化程度.
■精密AT晶體
如果是這樣的話,沒有高質量的晶體就不可能生產出精密的TCXO溫補晶振.雖然在傳統的雙引線焊接封裝中仍然可以生產出良好的晶體作為圓形坯料,但是它們的尺寸使它們無法用于許多微型振蕩器設計中.這導致了AT條形晶體設計的發展,在小外形尺寸方面具有優異的性能.盡管運動電容較低,但是可以實現足夠的調諧靈敏度以進行補償.通過適當的空白設計,包裝和精心加工,可以實現與傳統圓形晶體相當或甚至更好的性能.老化率可以很低,每年達到ppm的一小部分.
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