指定用于無線設計的VCXO/TCXO晶振
來源：http://www.ytxiaoping.cn 作者：金洛鑫電子 2019年01月19
指定用于無線設計的VCXO/TCXO晶振
石英晶體振蕩器是為無線電子設備提供高精度,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)應用比較多的壓控晶體振蕩器和溫度補償晶體振蕩器,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,在設計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)和溫度補償晶體振蕩器(TCXO)時,這些參數(shù)變得至關重要,因為這些基本選擇為這些器件奠定了基礎并影響了最終設計的成功,當石英晶體振蕩器用于無線設計時,乘法和鎖相環(huán)電路通常用于擴展其在無線頻譜上的實際頻率范圍,石英在機械,電氣和化學性質(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):
在指定用于無線設計的貼片晶振時,某些參數(shù)特別重要,包括容差,穩(wěn)定性,溫度范圍和負載電容,這些參數(shù)需要特別考慮,因為它們對聲音設計至關重要,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的實際諧振頻率響應,高達100Hz(10ppm×10MHz=100Hz),公差默認值范圍為30至50ppm,根據(jù)頻率和持有人,價格低于10ppm,價格也會上漲.
3.負載電容:
負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(參見圖3),其被稱為模型的運動臂,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值,在該模型中,R稱為等效串聯(lián)電阻(ESR),運動電容C代表石英的彈性,運動電感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當電路板設計被修改為使用較小的晶體封裝時,運動參數(shù)和振蕩器性能將保持不變,每當設計經(jīng)歷"縮小"時,最好重新評估對石英振蕩器設計的影響.
5.其他設計注意事項:
控制雜散響應-可能導致諸如溫度異常,TCXO晶振線性凸起等問題的不需要的響應-通常是設計過程的重要部分,通常,這些不需要的響應相對于基波降低6dB,相對于泛音響應降低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,例如,6dB相當于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現(xiàn)足夠的雜散抑制.
6.設計測試標準:
環(huán)境和可靠性規(guī)范在很大程度上應參考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,端子強度,總泄漏,精細泄漏,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用中會受到各種高敏感性沖擊和振動,除了無線環(huán)境應用的機械需求外,設計人員還需要考慮散熱要求,大多數(shù)無線應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)應用比較多的壓控晶體振蕩器和溫度補償晶體振蕩器,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,在設計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)和溫度補償晶體振蕩器(TCXO)時,這些參數(shù)變得至關重要,因為這些基本選擇為這些器件奠定了基礎并影響了最終設計的成功,當石英晶體振蕩器用于無線設計時,乘法和鎖相環(huán)電路通常用于擴展其在無線頻譜上的實際頻率范圍,石英在機械,電氣和化學性質(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).
在指定用于無線設計的貼片晶振時,某些參數(shù)特別重要,包括容差,穩(wěn)定性,溫度范圍和負載電容,這些參數(shù)需要特別考慮,因為它們對聲音設計至關重要,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的實際諧振頻率響應,高達100Hz(10ppm×10MHz=100Hz),公差默認值范圍為30至50ppm,根據(jù)頻率和持有人,價格低于10ppm,價格也會上漲.
3.負載電容:
負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(參見圖3),其被稱為模型的運動臂,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值,在該模型中,R稱為等效串聯(lián)電阻(ESR),運動電容C代表石英的彈性,運動電感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當電路板設計被修改為使用較小的晶體封裝時,運動參數(shù)和振蕩器性能將保持不變,每當設計經(jīng)歷"縮小"時,最好重新評估對石英振蕩器設計的影響.
控制雜散響應-可能導致諸如溫度異常,TCXO晶振線性凸起等問題的不需要的響應-通常是設計過程的重要部分,通常,這些不需要的響應相對于基波降低6dB,相對于泛音響應降低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,例如,6dB相當于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現(xiàn)足夠的雜散抑制.
6.設計測試標準:
環(huán)境和可靠性規(guī)范在很大程度上應參考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,端子強度,總泄漏,精細泄漏,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用中會受到各種高敏感性沖擊和振動,除了無線環(huán)境應用的機械需求外,設計人員還需要考慮散熱要求,大多數(shù)無線應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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