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TCXO是如何工作的?

來源: | 發(fā)布日期:2022-03-23

TCXO是如何工作的   TCXO是一種溫度補償振蕩器, 在需要特別高的溫度穩(wěn)定性時使用,這意味著振蕩器的頻率偏差應在其整個工作溫度范圍內(nèi)盡可能小 。

就其基本結(jié)構(gòu)而言,TCXO與沒有溫度補償?shù)钠胀ㄕ袷幤鳎╔O)非常相似。這兩個組件通常都使用AT切割。它們的頻率穩(wěn)定性取決于環(huán)境溫度,并在 25°C 時達到最佳值??梢允褂?3 次多項式函數(shù)以簡化的方式表示溫度和頻率偏差之間的這種關(guān)系。

AT石英毛坯的頻率:溫度曲線

該圖顯示了極端溫度條件如何導致普通晶體振蕩器出現(xiàn)明顯的頻率偏差。根據(jù)溫度和組件,這些偏差最大為 ±100 ppm(百萬分之幾)。這聽起來可能很高,但這種頻率穩(wěn)定性對于許多應用來說絕對足夠了。在許多應用中,普通石英振蕩器只是產(chǎn)生精確參考頻率的最經(jīng)濟的解決方案。

相比之下,尤其是無線領(lǐng)域的應用在頻率穩(wěn)定性方面的要求要高得多。藍牙、ZigBee 和 Co. 等常見無線電標準都適用于極低的高頻信道帶寬。在這些條件下,即使是很小的頻率偏差也會導致問題。在整個使用壽命和整個工作溫度范圍內(nèi),頻率穩(wěn)定性是最重要的。這正是 TCXO 發(fā)揮作用的地方。

TCXO的功能

在TCXO 的幫助下,頻率偏差可在 -40°C 至 +85°C 的整個環(huán)境或工作溫度范圍內(nèi)限制在 ±0.5 ppm。

控制電壓發(fā)生器

控制電壓發(fā)生器是TCXO的核心,該電路部分有一個內(nèi)置溫度傳感器,用于測量環(huán)境溫度 。基于此信息,在第一步中使用比較器和預定義的參考電壓生成溫度電壓 。在第二步中,使用函數(shù)發(fā)生器將其轉(zhuǎn)換為特定的控制電壓 (V_C),其中函數(shù)發(fā)生器包含多項式函數(shù)。

如下圖所示,控制電壓(紅色曲線)顯示了多項式函數(shù)的形式,旨在抵消藍色顯示的各個石英盤的頻率/溫度曲線。因此,控制電壓補償了由環(huán)境溫度變化引起的頻率波動。

晶振頻率:溫度曲線圖

環(huán)境溫度和頻率偏差(藍色曲線)之間的關(guān)系因石英盤而異。這意味著: 必須為每個單獨的 TCXO 單獨確定用于生成控制電壓(紅色曲線)的多項式函數(shù)的系數(shù)。這種復雜的工藝保證了最高精度,這也是與普通石英振蕩器相比價格略高的原因。 

校正電路

這部份電路利用產(chǎn)生的控制電壓來校正因溫度變化引起的振蕩器頻率偏差。要準確了解這是如何實現(xiàn)的,有必要看一下以下等式:

校正電路等式

因此,振蕩器的諧振頻率 (fosc) 由兩個等效變量決定:晶體的等效電感 (L) 和等效電容 (C)。

電感(L)由石英的自然特性定義。它的值隨環(huán)境溫度而變化,但不受工程師干預的影響。因此,必須通過調(diào)整電容 (C) 來補償電感 (L) 的變化。

這種補償在專用 IC (ASIC) 內(nèi)進行,并使用控制電壓 和幾個變?nèi)荻O管來實現(xiàn)。后者是允許電控電容的電子半導體元件。簡而言之,它將電路第一部分產(chǎn)生的控制電壓“轉(zhuǎn)換”為等效電容的相應變化。

因此可以說:如果環(huán)境溫度升至 25°C 以上,晶體的等效電感 也會增加。同時,為了保證頻率穩(wěn)定,等效電容向下修正了一個互補量。為此,TCXO 使用多個變?nèi)荻O管和相應的控制電壓 ,該控制電壓在第一電路部分產(chǎn)生。

振蕩電路

除了這些溫度補償電路之外,TCXO 自然還有一個普通的振蕩器電路,該振蕩器電路經(jīng)過優(yōu)化以產(chǎn)生所需的頻率。

電壓調(diào)節(jié)器

該電路塊是一種保護機制。目的是穩(wěn)定施加到 TCXO 的外部電壓,以防止 TCXO 內(nèi)的電壓波動,例如由工作電壓干擾引起的電壓波動。

輸出緩沖器

這也是一種保護機制。輸出緩沖器將晶體振蕩器與外部負載變化解耦。因此,輸出負載電容的變化不會影響諧振頻率的精度。

TCXO典型應用領(lǐng)域

由于極其高的頻率穩(wěn)定性,TCXO 特別適用于無線數(shù)據(jù)傳輸應用,例如電信領(lǐng)域。在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域、GPS 等導航應用和眾多消費品中,這些組件的需求量也很大。

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【本文標簽】 TCXO是如何工作的 溫度補償振蕩器 有源晶振 石英振蕩器

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