Rakon高穩(wěn)定性TCXO Oscillator使用步驟
來源：http://www.djbyg.com 作者：金洛鑫電子 2019年03月26
在網(wǎng)絡(luò)時鐘，搜救衛(wèi)星系統(tǒng)，無線基站平臺，導(dǎo)航定位，雷達等產(chǎn)業(yè)，都有一個共同點，那就是產(chǎn)品制造商廣泛采用TCXO溫補晶振，做為電路板里的主要晶振。因為TCXO是所有Oscillator系列里，頻率容差精準度最高的，±0.5ppm~±2.0ppm可用，新西蘭Rakon晶振公司自己設(shè)計，開發(fā)，生產(chǎn)的TCXO Oscillator系列，穩(wěn)定性在行業(yè)里算是比較高的。本文的主要目的是為了表示溫補晶體振蕩器通過VC-TCXO調(diào)節(jié)頻率，以及實用步驟與方法，參照型號是Rakon旗下的CFPT9，RFPT，RPT7050和RPT5032系列產(chǎn)品。
Rakon開發(fā)了一系列微型TCXO，能夠提供低于±100ppb的頻率穩(wěn)定性。器件提供多種封裝形式，7.0x5.0mm和5.0x3.2mm表面貼裝形式，通常適用于批量應(yīng)用。推動這一性能的補償引擎是Rakon專有的ASICPluto™及其后續(xù)產(chǎn)品Pluto+™。這些ASIC提供真正的模擬補償，沒有數(shù)字化誤差，從而在整個工作溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑的頻率特性。除了出色的補償性能外，TCXO還具有優(yōu)于1％的頻率調(diào)諧線性性能。
這種性能水平使TCXO能夠在之前已經(jīng)指定過OCXO晶振的應(yīng)用中使用。TCXO將在電氣，熱和機械穩(wěn)定和安靜的系統(tǒng)環(huán)境中提供最佳性能。實際應(yīng)用中不可避免地存在噪聲和不穩(wěn)定性，本文檔旨在考慮其影響，并概述可以采取的一些指導(dǎo)原則和實際步驟，以確保實現(xiàn)最佳性能。
溫度補償：
隨著晶體溫度在器件的工作溫度范圍內(nèi)變化，自由運行的晶體振蕩器表現(xiàn)出頻率的顯著變化。使用溫度補償，這種頻率不穩(wěn)定性與溫度的關(guān)系可提高約兩個數(shù)量級。
圖1：簡單晶體振蕩器（XO）
圖2：頻率穩(wěn)定性與溫度的關(guān)系
圖3：補償后的頻率與溫度特性
Rakon晶振生產(chǎn)的每一件TCXO都是制造工藝的一部分。表征在精心控制的測試環(huán)境中進行，該環(huán)境提供穩(wěn)定的熱環(huán)境，以確保在進行頻率測量時振蕩器的晶體和溫度傳感組件處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。根據(jù)這些頻率測量值計算出最小化頻率誤差隨溫度變化所需的補償電壓。因此，當(dāng)振蕩器的工作環(huán)境具有與用于器件表征的制造測試環(huán)境相同的穩(wěn)定熱特性時，將提供最佳的TCXO性能。
當(dāng)然，Rakon用于表征的物理，電氣和熱環(huán)境與最終用戶應(yīng)用所呈現(xiàn)的環(huán)境之間存在顯著差異。在理想的振蕩器溫度控制系統(tǒng)中，石英晶體的有效區(qū)域和溫度傳感元件將經(jīng)歷相同的溫度和相同的溫度變化。在這些條件下，由于石英晶體和溫度傳感器之間的溫差，補償中不會出現(xiàn)誤差分量。然而，要實現(xiàn)這一點，兩個組件將需要占用設(shè)備內(nèi)完全相同的物理空間，這是不可能的。在實踐中，振蕩器被設(shè)計成最小化晶體和溫度傳感器之間的任何溫差，并且非常小心以確保它們之間的物理分離和熱阻抗最小化。
必須將熱管理原理擴展到系統(tǒng)環(huán)境，在這種環(huán)境中，當(dāng)石英晶體和溫度傳感器之間的溫度梯度最小化時，將再次實現(xiàn)最佳性能。此外，由于溫度傳感器位于具有所有其他有源電路的TCXO ASIC上，因此必須注意保持振蕩器的功耗恒定，以免影響傳感器和晶體之間的溫度相關(guān)性。
創(chuàng)造安靜的熱環(huán)境-熱系統(tǒng)設(shè)計：
對流，傳導(dǎo)和輻射的作用都會產(chǎn)生熱梯度，在系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)仔細考慮這些機制的影響。石英晶體振蕩器的理想環(huán)境是溫度穩(wěn)定且在器件的所有側(cè)面均勻的環(huán)境。當(dāng)然，在實踐中，振蕩器的基座焊接到印刷電路板上，而其頂面可能處于靜止或強制空氣中，并且來自這兩個表面的熱傳遞速率將是不同的。另外，系統(tǒng)設(shè)計和布局可能要求振蕩器靠近一個面上的功率部件，而相對的面暴露于來自冷卻風(fēng)扇的強制空氣。同樣，目標(biāo)是避免這些差異，并盡可能減少它們無法避免的影響。
如果設(shè)計允許，最好將振蕩器與以下效果隔離：
1.高功耗元件引起的設(shè)備局部熱點
2.來自冷卻風(fēng)扇的強制空氣流動
3.可見光和紅外頻段的輻射能量
4.跟蹤振蕩器下方（特別是密集的地平面），可以通過傳導(dǎo)增加傳熱
通過在OSCillator設(shè)計中加入蓋子可以減弱這些影響。這將使裝置免受對流和輻射的直接影響，并將減少上述（1），（2）和（3）的影響。封閉的（靜止）空氣體積還將提供隔熱板，減少熱瞬態(tài)的影響。
Rakon為此提供塑料蓋（P/NPCV00015AA1）。為了安裝蓋鉆4個孔（直徑0.7毫米，x=13.5毫米，y=8.5毫米），與TCXO位置等距，如下圖所示：
圖4：塑料蓋定位孔草圖
蓋子需要用粘合劑固定。可以使用任何適合于將部件粘合到印刷電路板上的粘合劑。實例是Loctite 3220和EpotekTJ1104-LH（以前稱為Epotek102-104）。這些示例僅供參考-用戶仍負責(zé)評估其應(yīng)用的適用性。
圖5：將正弦波截斷為CMOS緩沖器
通過保持振蕩器下方的區(qū)域不受高導(dǎo)電性金屬跟蹤和通過在印刷電路板中引入槽以在熱傳導(dǎo)路徑中產(chǎn)生不連續(xù)性，可以最小化通過傳導(dǎo)的熱傳遞。
晶振本身就是一種比較脆弱的電子元器件，容易因為操作上的失誤，或外界因素而導(dǎo)致故障或不起振，所以在使用的時候，要嚴格按照要求和正確的步驟布置。更多關(guān)于TCXO Oscillator實用性資料，歡迎關(guān)注收藏http://www.djbyg.com，我司金洛鑫電子將會源源不斷的提供石英晶體和各類石英晶體振蕩器的技術(shù)資料和理論知識。
Rakon開發(fā)了一系列微型TCXO，能夠提供低于±100ppb的頻率穩(wěn)定性。器件提供多種封裝形式，7.0x5.0mm和5.0x3.2mm表面貼裝形式，通常適用于批量應(yīng)用。推動這一性能的補償引擎是Rakon專有的ASICPluto™及其后續(xù)產(chǎn)品Pluto+™。這些ASIC提供真正的模擬補償，沒有數(shù)字化誤差，從而在整個工作溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑的頻率特性。除了出色的補償性能外，TCXO還具有優(yōu)于1％的頻率調(diào)諧線性性能。
這種性能水平使TCXO能夠在之前已經(jīng)指定過OCXO晶振的應(yīng)用中使用。TCXO將在電氣，熱和機械穩(wěn)定和安靜的系統(tǒng)環(huán)境中提供最佳性能。實際應(yīng)用中不可避免地存在噪聲和不穩(wěn)定性，本文檔旨在考慮其影響，并概述可以采取的一些指導(dǎo)原則和實際步驟，以確保實現(xiàn)最佳性能。
溫度補償：
隨著晶體溫度在器件的工作溫度范圍內(nèi)變化，自由運行的晶體振蕩器表現(xiàn)出頻率的顯著變化。使用溫度補償，這種頻率不穩(wěn)定性與溫度的關(guān)系可提高約兩個數(shù)量級。
圖1：簡單晶體振蕩器（XO）
圖2：頻率穩(wěn)定性與溫度的關(guān)系
圖3：補償后的頻率與溫度特性
當(dāng)然，Rakon用于表征的物理，電氣和熱環(huán)境與最終用戶應(yīng)用所呈現(xiàn)的環(huán)境之間存在顯著差異。在理想的振蕩器溫度控制系統(tǒng)中，石英晶體的有效區(qū)域和溫度傳感元件將經(jīng)歷相同的溫度和相同的溫度變化。在這些條件下，由于石英晶體和溫度傳感器之間的溫差，補償中不會出現(xiàn)誤差分量。然而，要實現(xiàn)這一點，兩個組件將需要占用設(shè)備內(nèi)完全相同的物理空間，這是不可能的。在實踐中，振蕩器被設(shè)計成最小化晶體和溫度傳感器之間的任何溫差，并且非常小心以確保它們之間的物理分離和熱阻抗最小化。
必須將熱管理原理擴展到系統(tǒng)環(huán)境，在這種環(huán)境中，當(dāng)石英晶體和溫度傳感器之間的溫度梯度最小化時，將再次實現(xiàn)最佳性能。此外，由于溫度傳感器位于具有所有其他有源電路的TCXO ASIC上，因此必須注意保持振蕩器的功耗恒定，以免影響傳感器和晶體之間的溫度相關(guān)性。
創(chuàng)造安靜的熱環(huán)境-熱系統(tǒng)設(shè)計：
對流，傳導(dǎo)和輻射的作用都會產(chǎn)生熱梯度，在系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)仔細考慮這些機制的影響。石英晶體振蕩器的理想環(huán)境是溫度穩(wěn)定且在器件的所有側(cè)面均勻的環(huán)境。當(dāng)然，在實踐中，振蕩器的基座焊接到印刷電路板上，而其頂面可能處于靜止或強制空氣中，并且來自這兩個表面的熱傳遞速率將是不同的。另外，系統(tǒng)設(shè)計和布局可能要求振蕩器靠近一個面上的功率部件，而相對的面暴露于來自冷卻風(fēng)扇的強制空氣。同樣，目標(biāo)是避免這些差異，并盡可能減少它們無法避免的影響。
如果設(shè)計允許，最好將振蕩器與以下效果隔離：
1.高功耗元件引起的設(shè)備局部熱點
2.來自冷卻風(fēng)扇的強制空氣流動
3.可見光和紅外頻段的輻射能量
4.跟蹤振蕩器下方（特別是密集的地平面），可以通過傳導(dǎo)增加傳熱
通過在OSCillator設(shè)計中加入蓋子可以減弱這些影響。這將使裝置免受對流和輻射的直接影響，并將減少上述（1），（2）和（3）的影響。封閉的（靜止）空氣體積還將提供隔熱板，減少熱瞬態(tài)的影響。
Rakon為此提供塑料蓋（P/NPCV00015AA1）。為了安裝蓋鉆4個孔（直徑0.7毫米，x=13.5毫米，y=8.5毫米），與TCXO位置等距，如下圖所示：
圖4：塑料蓋定位孔草圖
圖5：將正弦波截斷為CMOS緩沖器
晶振本身就是一種比較脆弱的電子元器件，容易因為操作上的失誤，或外界因素而導(dǎo)致故障或不起振，所以在使用的時候，要嚴格按照要求和正確的步驟布置。更多關(guān)于TCXO Oscillator實用性資料，歡迎關(guān)注收藏http://www.djbyg.com，我司金洛鑫電子將會源源不斷的提供石英晶體和各類石英晶體振蕩器的技術(shù)資料和理論知識。
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