Bliley恒温晶体振荡器剖析

Bliley恒温晶体振荡器剖析

当谈到基于石英的频率控制设备时，恒温晶体振荡器（OCXO）接近食物链的顶端，仅被强大的双恒温晶体振荡器（DOCXO).

在这篇博客中，我们将回顾OCXO恒温晶振的基本工作原理、你需要知道的术语、如何确定转折点以及AT和SC水晶切割的区别。

恒温晶体振荡器（OCXO）基础知识

OCXO是一种温控设备，可保持石英晶体恒定的工作温度。这可防止指定频率因环境温度变化而发生变化。

晶体炉的频率输出取决于石英晶体的温度。从下图中可以看出，温度对振荡器的频率有很大影响。

在大多数应用中，可以使用更简单的温度补偿晶体振荡器（TCXO）来降低环境温度变化的负面影响。但是在有些环境中，TCXO晶振无法满足应用程序的稳定性要求。在这些情况下，RF工程师可以利用OCXO提高的稳定性。

无论振荡器所处的环境温度如何，都可以通过保持近乎恒定的晶体温度来提高稳定性。在OCXO内部，除了振荡器电路外，还有一个加热器电路。这种加热器电路可以以多种不同的方式配置，但最常见的是比例控制炉，它使用加热元件来加热晶体，使用热敏电阻来检测晶体的温度。

这些元件是桥接网络的一部分，桥接网络充当闭环反馈网络，使晶体温度保持恒定。下图显示了普通OCXO炉控制电路的框图。

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将晶体保持在恒温下可以最大限度地减少环境温度变化的影响，并大幅提高石英晶体振荡器的频率稳定性。但是我们如何确定烤箱的正确设定值呢？

为了做到这一点，我们需要再一次观察晶体频率和温度之间的关系。在下图中，您可以看到曲线上有一个最佳点，在该点处，温度的相等变化将导致频率的最小变化。这被称为水晶的转折点。

转折点可以由晶体工程师设计，并由许多因素决定，包括从大块石英材料上切割晶体毛坯的角度这样简单的事情。也就是说，每种晶体的表现都会略有不同，烤箱的设定点需要针对生产的每种设备进行微调。

当设计晶体的转折点时，必须考虑一个常见的设计权衡。理想的设计目标是将晶体的转折点设置在OCXO石英晶振的最高工作温度之上。虽然烤箱可以被设计成将晶体加热到设定的温度，但是如果周围环境非常热，晶体将被加热到超过其设定点。

将转折点推高的不利方面是频率与温度的关系曲线变得更加陡峭。这缩小了烘箱的操作窗口，并使烘箱精度至关重要。将转折点推高的另一个主要缺点是它会降低晶体老化性能.

振荡器设计者提高OCXO性能的另一个选择是改变振荡器内部的晶体类型.

入门级OCXOs通常使用AT切割晶体制造。这些晶体具有良好的整体性能，适用于多种应用，但由于转折点需要推高，AT切割晶体已失去动力。

此时，可以在OCXO内部使用SC切晶体来提高转折点，而不会牺牲频率稳定性。AT和SC切割的频率与温度曲线如下图所示。您可以看到SC的频率响应在烤箱的工作温度范围内更加均匀，从而提高了稳定性。

除了提高频率稳定性之外，SC切晶体还有其他好处。这些好处包括:

提高频率稳定性：从上图可以看出，SC切割的响应在更宽的温度范围内比at切割平坦得多。这意味着温度范围内的频率稳定性更高。
更高的工作温度：SC切割晶体的转折点高于at切割晶体，这使其非常适合烤箱应用。这种较高转折点的缺点是在较低温度下急剧下降。由于这一特性，SC切晶体仅适用于恒温振荡器，在其他振荡器配置（TCXOs、VCXOs等）中效果不佳。)
改善老化：SC切割晶体（代表“应力补偿”）的老化性能比at切割晶体好2到3倍。
预热时间：SC切OCXO在其最终频率上的稳定速度要比at切OCXO晶体振荡器快得多。
相位噪声：SC切晶体比AT切晶体具有更好的Q（质量）因子。这样，改善了OCXO的近载波或接近载波相位噪声。
g灵敏度：SC切晶体的应力补偿也降低了振荡器的g灵敏度。石英是一种机电设备，如果你在晶体上施加电压，它就会振荡。缺点是，如果你在晶体上施加振动，就会产生电压。该电压表现为加速度或振动引起的相位噪声。