指定用于無線設(shè)計(jì)的VCXO/TCXO晶振
來源：http://www.techzozo.com 作者：金洛鑫電子 2019年01月19
指定用于無線設(shè)計(jì)的VCXO/TCXO晶振
石英晶體振蕩器是為無線電子設(shè)備提供高精度,高Q值參數(shù)的電子元器件,現(xiàn)在的無線電子產(chǎn)品的頻率信號傳輸大多數(shù)應(yīng)用比較多的壓控晶體振蕩器和溫度補(bǔ)償晶體振蕩器,這兩種系列的產(chǎn)品性能是不管在溫度還是在電壓電源上,都能夠靈活的調(diào)整頻率參數(shù)偏差的高靈敏性晶體振蕩器,VCXO晶振和TCXO晶振在各大參數(shù)系數(shù)中展現(xiàn)其高可靠性能.
在指定用于振蕩器的晶體時,在設(shè)計(jì)過程早期就必須充分考慮基本參數(shù),在開發(fā)壓控晶體振蕩器(VCXO)和溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)時,這些參數(shù)變得至關(guān)重要,因?yàn)檫@些基本選擇為這些器件奠定了基礎(chǔ)并影響了最終設(shè)計(jì)的成功,當(dāng)石英晶體振蕩器用于無線設(shè)計(jì)時,乘法和鎖相環(huán)電路通常用于擴(kuò)展其在無線頻譜上的實(shí)際頻率范圍,石英在機(jī)械,電氣和化學(xué)性質(zhì)方面非常適合制造頻率控制裝置,從石英棒上切下石英晶體,在高壓釜中生長,鋸片切穿石英的角度決定了晶體的許多電性能.
1.制造切割:
無線應(yīng)用中最常用的晶體切割角度是AT切割(見圖1),以這種方式制造的石英晶體可以以相對高的頻率獲得,表現(xiàn)出優(yōu)異的頻率與溫度穩(wěn)定性,并且成本適中,從1MHz到1GHz以上的基本諧振頻率是可能的,但由于價格和其他限制,大多數(shù)AT切割晶體的基本頻率在1.8到40MHz之間,AT切割晶體的諧振模式(泛音)大約是基模的奇數(shù)倍(見圖2),為這些泛音指定的石英晶振通常落在24至200MHz的頻率范圍內(nèi).
2.重要規(guī)格參數(shù):
在指定用于無線設(shè)計(jì)的貼片晶振時,某些參數(shù)特別重要,包括容差,穩(wěn)定性,溫度范圍和負(fù)載電容,這些參數(shù)需要特別考慮,因?yàn)樗鼈儗β曇粼O(shè)計(jì)至關(guān)重要,并且還會影響指定晶體的可制造性和成本,晶體的容差是指在室溫下與目標(biāo)頻率的最大允許頻率偏差,以百萬分率(ppm)表示,例如,具有10ppm頻率容差的10MHz晶體可以具有高于或低于10MHz的實(shí)際諧振頻率響應(yīng),高達(dá)100Hz(10ppm×10MHz=100Hz),公差默認(rèn)值范圍為30至50ppm,根據(jù)頻率和持有人,價格低于10ppm,價格也會上漲.
3.負(fù)載電容:
負(fù)載電容是指定晶體時最容易被忽略的參數(shù)之一,在流行的皮爾斯Oscillator電路中,晶體兩側(cè)都有一個接地電容,負(fù)載電容等于兩個電容加上Cstray的串聯(lián)組合,(Cstray是通過布局,電路板材料以及有源器件的輸入和輸出阻抗為電路提供電容的總和)在基本模式VCXO中使用的HC49U晶體的可拉性規(guī)格可能具有以下形式:CL=20至45pF,最大可拉伸性=-100ppm,CL=20至10pF,可拉伸性=+100ppm min,較小的晶體具有HC49U的約一半的可拉伸性,泛音晶體的可牽引性降低1/n2,其中n是泛音模式(即1,3,5等).
4.晶體建模:
晶體通常被建模為系列RLC網(wǎng)絡(luò)(參見圖3),其被稱為模型的運(yùn)動臂,通常,僅指定表示操作頻率的臂,并且通常甚至將其留給制造商的默認(rèn)值,在該模型中,R稱為等效串聯(lián)電阻(ESR),運(yùn)動電容C代表石英的彈性,運(yùn)動電感L表示晶體單元的振動質(zhì)量,CO或并聯(lián)電容是由沉積在石英坯料兩側(cè)的金屬電極形成的電容,加上與支架和引線相關(guān)的電極,CO通常指定為最大7pF. 指定晶體時常見的錯誤是假設(shè)當(dāng)電路板設(shè)計(jì)被修改為使用較小的晶體封裝時,運(yùn)動參數(shù)和振蕩器性能將保持不變,每當(dāng)設(shè)計(jì)經(jīng)歷"縮小"時,最好重新評估對石英振蕩器設(shè)計(jì)的影響.
5.其他設(shè)計(jì)注意事項(xiàng):
控制雜散響應(yīng)-可能導(dǎo)致諸如溫度異常,TCXO晶振線性凸起等問題的不需要的響應(yīng)-通常是設(shè)計(jì)過程的重要部分,通常,這些不需要的響應(yīng)相對于基波降低6dB,相對于泛音響應(yīng)降低3dB,或者,可以根據(jù)主模式電阻比來指定這些不需要的響應(yīng),例如,6dB相當(dāng)于2:1的雜散電阻比(20log10Rspur/ESR),方形和矩形晶體的開發(fā)周期通常需要更多次迭代才能實(shí)現(xiàn)足夠的雜散抑制.
6.設(shè)計(jì)測試標(biāo)準(zhǔn):
環(huán)境和可靠性規(guī)范在很大程度上應(yīng)參考MIL-STD-883和MIL-STD-202中概述的測試程序和方法,一些程序包括沖擊,振動,耐溶劑性,端子強(qiáng)度,總泄漏,精細(xì)泄漏,低溫暴露,高溫暴露,熱循環(huán),焊接耐熱性等測試.
對于指定的電路操作模式,石英晶體的頻率與其厚度成反比,較高頻率的通常一般晶體屬于較薄型的,并且在便攜式和移動無線應(yīng)用中會受到各種高敏感性沖擊和振動,除了無線環(huán)境應(yīng)用的機(jī)械需求外,設(shè)計(jì)人員還需要考慮散熱要求,大多數(shù)無線應(yīng)用都需要能夠使用在-40°C至+85°C的工業(yè)溫度范圍內(nèi)工作的晶體,其晶體可指定用于商業(yè)溫度范圍(0°C至70°C),對于某些特殊的高溫晶振產(chǎn)品,可在軍用溫度范圍(-55°C至+105°C)內(nèi)使用.
石英晶體振蕩器是為無線電子設(shè)備提供高精度,高Q值參數(shù)的電子元器件,現(xiàn)在的無線電子產(chǎn)品的頻率信號傳輸大多數(shù)應(yīng)用比較多的壓控晶體振蕩器和溫度補(bǔ)償晶體振蕩器,這兩種系列的產(chǎn)品性能是不管在溫度還是在電壓電源上,都能夠靈活的調(diào)整頻率參數(shù)偏差的高靈敏性晶體振蕩器,VCXO晶振和TCXO晶振在各大參數(shù)系數(shù)中展現(xiàn)其高可靠性能.
在指定用于振蕩器的晶體時,在設(shè)計(jì)過程早期就必須充分考慮基本參數(shù),在開發(fā)壓控晶體振蕩器(VCXO)和溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)時,這些參數(shù)變得至關(guān)重要,因?yàn)檫@些基本選擇為這些器件奠定了基礎(chǔ)并影響了最終設(shè)計(jì)的成功,當(dāng)石英晶體振蕩器用于無線設(shè)計(jì)時,乘法和鎖相環(huán)電路通常用于擴(kuò)展其在無線頻譜上的實(shí)際頻率范圍,石英在機(jī)械,電氣和化學(xué)性質(zhì)方面非常適合制造頻率控制裝置,從石英棒上切下石英晶體,在高壓釜中生長,鋸片切穿石英的角度決定了晶體的許多電性能.
1.制造切割:
無線應(yīng)用中最常用的晶體切割角度是AT切割(見圖1),以這種方式制造的石英晶體可以以相對高的頻率獲得,表現(xiàn)出優(yōu)異的頻率與溫度穩(wěn)定性,并且成本適中,從1MHz到1GHz以上的基本諧振頻率是可能的,但由于價格和其他限制,大多數(shù)AT切割晶體的基本頻率在1.8到40MHz之間,AT切割晶體的諧振模式(泛音)大約是基模的奇數(shù)倍(見圖2),為這些泛音指定的石英晶振通常落在24至200MHz的頻率范圍內(nèi).
在指定用于無線設(shè)計(jì)的貼片晶振時,某些參數(shù)特別重要,包括容差,穩(wěn)定性,溫度范圍和負(fù)載電容,這些參數(shù)需要特別考慮,因?yàn)樗鼈儗β曇粼O(shè)計(jì)至關(guān)重要,并且還會影響指定晶體的可制造性和成本,晶體的容差是指在室溫下與目標(biāo)頻率的最大允許頻率偏差,以百萬分率(ppm)表示,例如,具有10ppm頻率容差的10MHz晶體可以具有高于或低于10MHz的實(shí)際諧振頻率響應(yīng),高達(dá)100Hz(10ppm×10MHz=100Hz),公差默認(rèn)值范圍為30至50ppm,根據(jù)頻率和持有人,價格低于10ppm,價格也會上漲.
3.負(fù)載電容:
負(fù)載電容是指定晶體時最容易被忽略的參數(shù)之一,在流行的皮爾斯Oscillator電路中,晶體兩側(cè)都有一個接地電容,負(fù)載電容等于兩個電容加上Cstray的串聯(lián)組合,(Cstray是通過布局,電路板材料以及有源器件的輸入和輸出阻抗為電路提供電容的總和)在基本模式VCXO中使用的HC49U晶體的可拉性規(guī)格可能具有以下形式:CL=20至45pF,最大可拉伸性=-100ppm,CL=20至10pF,可拉伸性=+100ppm min,較小的晶體具有HC49U的約一半的可拉伸性,泛音晶體的可牽引性降低1/n2,其中n是泛音模式(即1,3,5等).
4.晶體建模:
晶體通常被建模為系列RLC網(wǎng)絡(luò)(參見圖3),其被稱為模型的運(yùn)動臂,通常,僅指定表示操作頻率的臂,并且通常甚至將其留給制造商的默認(rèn)值,在該模型中,R稱為等效串聯(lián)電阻(ESR),運(yùn)動電容C代表石英的彈性,運(yùn)動電感L表示晶體單元的振動質(zhì)量,CO或并聯(lián)電容是由沉積在石英坯料兩側(cè)的金屬電極形成的電容,加上與支架和引線相關(guān)的電極,CO通常指定為最大7pF. 指定晶體時常見的錯誤是假設(shè)當(dāng)電路板設(shè)計(jì)被修改為使用較小的晶體封裝時,運(yùn)動參數(shù)和振蕩器性能將保持不變,每當(dāng)設(shè)計(jì)經(jīng)歷"縮小"時,最好重新評估對石英振蕩器設(shè)計(jì)的影響.
控制雜散響應(yīng)-可能導(dǎo)致諸如溫度異常,TCXO晶振線性凸起等問題的不需要的響應(yīng)-通常是設(shè)計(jì)過程的重要部分,通常,這些不需要的響應(yīng)相對于基波降低6dB,相對于泛音響應(yīng)降低3dB,或者,可以根據(jù)主模式電阻比來指定這些不需要的響應(yīng),例如,6dB相當(dāng)于2:1的雜散電阻比(20log10Rspur/ESR),方形和矩形晶體的開發(fā)周期通常需要更多次迭代才能實(shí)現(xiàn)足夠的雜散抑制.
6.設(shè)計(jì)測試標(biāo)準(zhǔn):
環(huán)境和可靠性規(guī)范在很大程度上應(yīng)參考MIL-STD-883和MIL-STD-202中概述的測試程序和方法,一些程序包括沖擊,振動,耐溶劑性,端子強(qiáng)度,總泄漏,精細(xì)泄漏,低溫暴露,高溫暴露,熱循環(huán),焊接耐熱性等測試.
對于指定的電路操作模式,石英晶體的頻率與其厚度成反比,較高頻率的通常一般晶體屬于較薄型的,并且在便攜式和移動無線應(yīng)用中會受到各種高敏感性沖擊和振動,除了無線環(huán)境應(yīng)用的機(jī)械需求外,設(shè)計(jì)人員還需要考慮散熱要求,大多數(shù)無線應(yīng)用都需要能夠使用在-40°C至+85°C的工業(yè)溫度范圍內(nèi)工作的晶體,其晶體可指定用于商業(yè)溫度范圍(0°C至70°C),對于某些特殊的高溫晶振產(chǎn)品,可在軍用溫度范圍(-55°C至+105°C)內(nèi)使用.
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