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您当前所在位置:元器猫> 晶振百科> 温度补偿晶体振荡器的未来
  • 温度补偿晶体振荡器的未来
  • 阅读量:541

  大多数现代数字和模拟电子设备都需要时基来执行其预期的功能。从手机到智能,石英晶体振荡器广泛应用于许多嵌入式应用中。石英谐振器的高Q值,出色的温度性能以及出色的长期老​​化性能使其成为许多应用的理想选择。离散LC振荡器的频率与温度性能的关系为每°C几百分之几(ppm),而在整个工业温度范围内,晶体振荡器(XO)的精度约为±30 ppm(–40至+ 85°C)。尽管优于分立振荡器,但这种温度稳定性对于许多现代应用而言仍远远不够。

  

  温度补偿晶体振荡器(TCXO)使用开环补偿电路来产生校正电压,以降低晶体固有频率与温度的关系。TCXO中使用的晶体具有随温度变化的频率特性,近似于三阶多项式。

  温度补偿晶体振荡器(TCXO)的早期设计采用热敏电阻和电阻器网络来产生校正电压。通过使用具有不同斜率的热敏电阻并适当选择固定值电阻器,可以使校正电压的形状因数与晶体的频率与温度性能相匹配。校正电压被施加到温度补偿晶体振荡器(TCXO)的反馈路径中的变容二极管。

       反馈路径中电容的这种变化会改变振荡器的调谐,从而改变输出频率并对温度影响进行补偿。热敏电阻/电阻网络TCXO在整个工业温度范围内可实现约±1 ppm的频率相对温度稳定性;但是,由于使用分立的热敏电阻和电阻的性质,它们的曲线拟合能力受到限制。

  热敏电阻/电阻网络TCXO仍然存在于特殊环境中,包括卫星和其他空间应用,在这些应用中,现代固态设备没有辐射硬度可以生存。如今制造的大多数温度补偿晶体振荡器(TCXO)都使用ASIC,该ASIC包含振荡器电路和三阶或五阶多项式电压发生器。

       多项式生成器是模拟输出电压,但也具有用于设置多项式系数的数字寄存器。最新一代的TCXO ASIC可以在工业温度范围内提供±0.1 ppm的温度性能。与传统的热敏电阻网络TCXO相比,这是10倍的改进,并且还具有占用面积小得多(5 mm×3.2 mm)的优点。

  一些高精度应用要求频率相对于温度的稳定性优于±0.1 ppm。为了满足这些具有挑战性的规范,采用了不同的方法。烤箱控制的晶体振荡器(OCXO)使用加热器电路和热绝缘来将晶体保持在升高的温度下(比工作温度上限高出约15°C)。通过控制晶体的温度并使之保持恒定,可以大大降低由于环境温度变化引起的频率偏差。OCXO可以实现±0.005 ppm的频率相对温度稳定性。这种改进的性能是以更大的占地面积和增加的功耗为代价的。

       温度补偿晶体振荡器(TCXO)的性能极限为±0.1 ppm,这是由于多种因素引起的。首先,谐振器并不完美。它们的频率与温度稳定性近似为一个三阶多项式。但是,存在更高阶的效果。其次,多项式生成器是非理想的,会引起一些更高阶的伪像,给用户留下的残差为±0.1 ppm。最近已经证明了一种使用人工神经网络(ANN)创建校正电压的新方法。

       人工神经网络的优势在于,神经网络没有像三阶多项式那样固有地受到形状限制。如果有足够的数据提供给ANN,它可以“学习”晶体的温度性能形状并对其进行校正。事实证明,这种新方法可在工业范围内提供±0.01 ppm的频率相对温度稳定性。ANN算法可以在更小的占位面积上实现OCXO温度性能,

  过去70年来,石英晶体时基的发展已使频率相对于温度的稳定性提高了数千倍。随着我们对更小尺寸,功耗更低的更稳定振荡器的需求不断增长,开发更好的补偿方案至关重要。人工神经网络展示了一种很有潜力的技术。它具有适应和改变形状因数的能力,非常适合复杂的补偿问题。