近10年来市面上对TCXO晶振的使用量在不断的增加,目前TCXO最小的体积可达到1.6*1.2mm,部分料号已计划上市,大概明年会迎来新的浪潮.为了更合理的利用温补晶振,一些工程师会特意的了解和学习相关的资料,因为TCXO晶振和普通的晶体或振荡器都有一定的区别,虽然操作原理差不多,但在性能和功能方面,会更好更高.
TCXO对工程师非常有用,因为它们可以在比电路板上具有相同功耗和占用空间的标准VCXO更高的温度稳定性的10倍到40倍之间使用.TCXO弥合了标准XO或VCXO与OCXO之间的差距,这些差距更高,需要更多功率才能运行.推动技术的目标是降低功耗,当然还要降低成本,因此TCXO为功耗和成本敏感的应用提供了良好的中档解决方案.
当需要标准XO(晶体振荡器)或VCXO(压控晶体振荡器)无法达到的温度稳定性时,TCXO石英晶振是必需的.温度稳定性衡量振荡器频率随温度变化的程度,并在两种方式.一种常见的方法是使用加/减规格(例如:±0.28ppm对比工作温度范围,参考25°C-温度范围通常为-40至85°C或-20至70°C).该规范告诉我们,如果我们将25°C的频率设为标称频率,则器件频率将偏离或低于该标称频率不超过0.28ppm.这与指定温度稳定性的第二种方式不同,即使用峰峰值或仅使用没有参考点的正/负值.在第二种情况下,我们不能说我们知道频率高于或低于频率将会变化多远-只是我们知道总的范围是多少.通常,使用来自定义的参考点的正负值来指定设备.
图1是不同振荡器类型的典型温度稳定性的示意图,范围从标准VCXO晶振的50ppm到高性能OCXO的0.2ppb.轴反转使得曲线在增加温度稳定性的方向上增长.TCXO稳定性范围涵盖VCXO与OCXO之间的中间位置(在某些情况下,与某些OCXO性能重叠).

图1.各种振荡器类型的温度稳定性范围

温度稳定性的TCXO水平(从5ppm到50ppb)通常是必要的,因为振荡器将保持独立工作,或者在没有外部频率基准的系统中以自由运行模式工作,或者作为合成器的固定频率基准,TCXO开环工作以驱动DDS(直接数字合成),其中DDS而不是TCXO被“锁定”到外部基准.
后一种情况(TCXO是开环,频率设置在DDS)变得越来越普遍,因为设计人员发现,与使用数模转换器控制TCXO相比,使用DDS解决方案可以获得更好的频率分辨率.因为转向是在DDS中而不是振荡器中进行的,所以设计人员需要能够对固定基准电压源的频率如何随温度变化做出某些假设,以便能够相应地规划锁相环的设计.由于灵活性,它们允许低电压TCXO晶振在许多频率控制应用中使用,但一个重要的领域是小小区基站(毫微微、微和微微),它们经常被用作定时分配芯片的固定频率源.
在非常基本的术语中,TCXO通过采用温度补偿网络进行操作,该网络检测环境温度并将晶体拉至其标称值.基本振荡器电路和输出级与VCXO中的预期相同.图2是简化的TCXO功能框图.

图2.TCXO功能块

这个想法是补偿网络驱动牵引网络,然后调整石英晶体振荡器的频率.图3是发生了什么的概述-未补偿的晶体频率响应温度(红色)就像一个三阶多项式曲线(如果你使振荡器非线性生效,更像是第五个),所以目标是补偿网络是产生一个电压,它有效地是关于晶体曲线的温度轴的镜像,以抵消温度对晶体的影响.补偿电压以蓝色显示,得到的频率/温度曲线以绿色绘制.

图3.温度补偿

实现这一目标的方法随着时间而改变.使用的第一种方法之一是直接补偿技术,其中使用热敏电阻,电容器和电阻器的网络来直接控制振荡器的频率.温度的变化导致热敏电阻(图4中的RT1和RT2)变得不稳定,这会导致网络的等效串联电容发生变化-这反过来会改变晶体上的电容负载,从而导致振荡器的频率发生变化.

图4.直接补偿

在随后的开发中(图5中所示的间接补偿),热敏电阻(RT1至RT3)和电阻(R1至R3)的网络用于产生与温度相关的电压.对网络的输出电压进行滤波,然后用于驱动变容二极管,该变容二极管改变晶振上的负载,再次导致频率变化.

图5间接补偿

目前的方法将补偿网络和牵引网络集成到一个集成电路中(如图6所示),补偿网络的作用由一组运算放大器组成,这些运算放大器在一起产生温度上的3阶或5阶函数.与间接补偿方法一样,该电压用于驱动变容二极管,这反过来又改变了振荡器的输出频率.由于晶体特性的变化意味着没有一刀切的功能,因此在温补晶振的温度测试期间得出了解决方案.两个电容器阵列用于将室温下的频率调节到标称值,然后在测试期间获得温度补偿功能所需的设置并存储在片上存储器中.

图6综合补偿

最后一种方法通常被称为数字控制模拟补偿,并且在小型TCXO晶振设计中常见,因为可以在单个ASIC中提供大量功能.这个简短的介绍给了你一个概述TCXO及其实施的各种方式.

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