便攜式設備的設計者有一項艱巨的工作.市場需要顯示低功耗(延長電池壽命)且足夠堅固的設備,以經受住日常操作的嚴酷考驗,包括意外跌落的影響.即使在極端環境下,設備也必須正常運行.通過減小尺寸來提高性能始終是一個重要目標.最后,設計者必須指定容易獲得的部件滿足并超過成品的設計要求以促進有效的制造過程.

龍湖電子本文將討論通過使用溫度補償晶體振蕩器(TCXO晶振)在溫度波動的情況下保持恒定工作頻率的挑戰,這是便攜式設備正常工作的關鍵之一.

晶體控制振蕩器(XOs)長期以來一直用于調節便攜式設備的工作頻率.然而,當環境溫度變化時,它們的頻率會漂移.通常,溫度補償晶體振蕩器或TCXO用于消除(或至少限制)這種頻率變化.然而,僅僅認識到需要TCXO是不夠的.設計者必須指定器件的工作特性,包括溫度范圍和所需的補償程度.但是,僅僅指定溫度范圍也是不夠的.

在一個完美的世界里,我們可以指定一個溫度范圍在-55℃和+125℃之間的振蕩器,頻率補償為+/-0.01PPM,并且實際上讓器件執行相應的操作.但是,現實世界受到物理和電學定律的限制,我們不能總是為給定的應用指定一個絕對完美的石英晶體振蕩器.這就是為什么設備設計工程師應該總是在設計過程的最早階段與振蕩器供應商討論他們的要求.然后,他們可以準確地確定振蕩器的實際工作方式,并據此進行設計和規劃.

福克斯電子公司的FOX801BH是一款SMD溫控晶體振蕩器這適用于各種需要優秀的頻率穩定性.

振蕩器基礎知識

振蕩器理論的簡要回顧將有助于簡化TCXO晶振的規格.

在其最簡單的形式中,振蕩器由放大器網絡和相位校正網絡組成.為了啟動和維持振蕩,電路周圍的環路增益必須大于1,信號的相移必須等于2npi.gif-872Bytes,其中n是整數,如0,1,2或3.

相位校正網絡包括石英晶體,通常在復阻抗平面的電感部分起作用.當以這種方式操作時,晶體被稱為負載電容形式.石英晶振表現出優異的相位補償特性,因此是可接受的頻率確定裝置.然而,設計者必須應對溫度變化時頻率漂移的趨勢.

也許解決溫度變化中頻率漂移難題的最佳方法是利用補償網絡.補償網絡由耦合到振蕩器電路反饋路徑中的電抗元件的溫度傳感裝置組成.該組件修改輸出頻率.盡管這樣的網絡會有所幫助,但它也會使事情復雜化,即使補償技術已經成熟.振蕩器尺寸必須增加以容納這些額外的元件.功耗略有增加,因為組件也會消耗電能.

有兩種主要類型的頻率補償網絡;第三種是前兩種的雜交.這些方法都值得考慮.了解有源晶振設計的這些方法將有助于設備設計人員在指定TCXO時做出明智的決定.

熱敏電阻-電阻網絡

方法一使用熱敏電阻-電阻網絡,其中溫度間接改變元件的電容,元件是晶振電容負載的一部分,因此影響頻率.不穩定的電源電壓會改變輸出頻率.需要基準電壓來穩定輸出頻率,這會增加電流消耗.

此外,基準電壓源的輸出部分存在噪聲將會調制振蕩器輸出的頻率.因此,需要低噪聲基準電壓源,這增加了總成本.還需要額外的印刷電路板面積來容納這些額外的元件,使振蕩器更大.

顯然,這種方法與設計工程師降低成本,降低電流消耗和減小尺寸的目標背道而馳.

溫度補償的直接方法

晶體振蕩器保持恒定的工作頻率對于便攜式電子設備的正常運行至關重要.

第二種溫度補償方法(通常稱為"直接"方法)依賴于使用額定溫度系數的電容來代替晶體反饋網絡中常見的溫度穩定電容.通過在特定溫度范圍內測試未補償的振蕩器,振蕩器設計人員可以確定補償頻率所需的電容變化.利用該值,振蕩器設計人員可以確定電容必須顯示的溫度系數.

實際上,溫度系數通常是通過將不同溫度系數的電容器相互并聯來確定的.這種技術僅對貼片晶振頻率/溫度曲線的線性部分有效,但可以實現+/-0.5ppm量級的輸出穩定性.與方法一相比,整體尺寸接近相等,功耗不受影響.成本增加僅僅是因為這種方法是測試密集型的,并且石英板的切割角度必須嚴格控制.這種控制涉及整個制造周期的大量測試.當使用這種方法時,結果非常好.對成本的影響因供應商而異.

"混合"溫度補償

"混合"方法結合了前面討論的兩種方法的最佳方面.熱敏電阻與正負溫度系數的電容并聯放置.通過正確選擇熱敏電阻值和溫度曲線,設計人員可以在電路中引入或移除所需的電容.這種方法允許在更寬的溫度范圍內進行頻率補償,因為(不同于直接方法),它可以用來補償非線性晶體頻率/溫度特性.然而,"混合"方法有些難以實現.出現困難是因為必須仔細選擇部件并進行廣泛測試.在許多情況下,這幾乎成為一種"手工測試和裝配"的方法,而不是大規模生產的方法.它非常適合非常精確的TCXO晶振.