一次深入的剖析烤箱型OCXO Oscillator技术

当涉及基于石英的频率控制设备时,OCXO(或烤箱控制的晶体振荡器)在食物链的顶端附近,仅由强大的DOCXO或双层烤箱取代!OCXO是一种温度控制器件,可保持石英晶体的恒定工作温度.这可以防止由于环境温度的变化而导致指定频率的变化.晶体炉的频率输出取决于石英晶体的温度.您可以在下图中看到温度会对振荡器的频率产生重大影响.

在大多数应用中,可以使用更简单的TCXO或温度补偿晶体振荡器来减少环境温度变化的负面影响.但是在某些情况下,TCXO无法满足应用程序的稳定性要求.在这些情况下,RF工程师可以采取措施,利用OCXO提高稳定性.

无论振荡器正在经历环境温度如何,通过保持接近恒定的晶体温度来实现这种改善的稳定性.在OCXO内部,除振荡器电路外还有一个加热器电路.该加热器电路可以以许多不同的方式配置,但最常见的是使用加热元件加热晶体的比例控制的烤箱和用于检测晶体温度的热敏电阻.这些元件是桥接网络的一部分,用作闭环反馈网络,以将晶体温度保持在恒定温度.下图显示了常见的OCXO恒温控制电路的框图.

预热至185ºF设置OCXO烤箱温度

将晶体保持在恒定温度可以最小化改变环境温度的影响,从而大大提高振荡器的频率稳定性.但是我们如何确定烤箱的正确设定点?要做到这一点,我们需要再次研究晶体频率与温度之间的关系.在下图中,您可以看到曲线上有一个最佳点,温度的相同变化将导致频率的最小变化.曲线上的这一点非常重要,我们给它起了一个特殊的名称,这被称为晶体的转折点.

晶体的转折点可由晶体工程师设计,并由许多因素决定,包括从大块石英材料切割晶体坯料的角度这样简单的东西.话虽这么说,每个水晶的表现都会略有不同,烤箱设定点可以根据每个生产的设备进行微调.

在设计晶体的转折点时,必须考虑共同的设计权衡.理想的设计目标是将晶体的转折点设置为高于OCXO的最高工作温度.这是因为烤箱可以将晶体加热到设定的温度,但是如果周围环境比这个设定温度高得多,晶体将会结束超过其设定点的热量.推动转折点走高的缺点是频率与温度曲线变得更加清晰.这有效地缩小了烤箱的操作窗口并使烤箱精度变得至关重要.推动转折点走高的另一个主要缺点是晶体老化性能下降.

AT与SC切割晶体

振荡器设计者必须提高其OCXO性能的另一个选择是改变振荡器内部晶体的类型.入门级OCXO通常使用AT切割晶体构建.这些晶体具有良好的整体性能,适用于各种应用;然而,由于晶体的转折点需要被推高,因此AT切割会耗尽蒸汽.此时,可以在OCXO内部使用SC切割晶体,以在不牺牲频率稳定性的情况下提高转折点.AT切割和SC切割的频率与温度曲线如下图所示.您可以看到频率响应在烤箱工作温度下更加均匀,从而提高了振荡器的稳定性.

除了提高频率稳定性外,SC切割晶体还具有其他优点.这些好处包括:

1.改进的频率稳定性:从上图可以看出,SC切割的响应在比AT切割更宽的温度范围内更平坦.这意味着温度范围内的频率稳定性更高.

2.更高的工作温度:SC切割晶体的转折点高于AT切割晶体,这使其成为烘箱应用的理想选择.这种较高转折点的缺点是在较低温度下的急剧滚降.由于这一特性,SC切割晶体仅适用于恒温振荡器,在其他振荡器配置(TCXO,VCXO等)中无法正常工作

3.改善老化:SC切割晶体(代表应力补偿)提供改善的老化性能,比AT切割晶体好2到3倍.

4.预热时间:SC切割OCXO将在其最终频率下稳定下来,速度比同类AT切割OCXO快得多.

5.相位噪声:SC切割晶体提供比AT切割晶体更好的Q(质量)因子.因此,改善了OCXO的载波相位噪声的接近或接近.

6.G灵敏度:SC切割晶体的应力补偿也会降低振荡器的g灵敏度.石英是一种机电设备......如果在晶体上施加电压,它会振荡.缺点是,如果在晶体上施加振动,它将产生电压.