自从使用石英晶振作为频率控制装置以来,人们一直在寻求提高其温度稳定性.在简要回顾晶体振荡器温度补偿的历史之后,本文将描述TCXO温度补偿技术和相关晶体谐振器的现状.当第一个晶体振荡器在20世纪20年代制造时,仅有的晶体,如X切割晶体,显示出较差的温度性能.AT切割晶体的发展是使温度补偿可行的重要一步,[1].AT切割提供了以+25°C为中心的相对平坦的频率-温度曲线.直到大约20世纪40年代中期,晶体的老化和温度特性还不足以进行精确校正,这符合[2].漏封装导致老化漂移差,晶体板和晶片设计中的缺陷产生了具有严重活性下降和耦合模式的晶体[3].这产生了严重的频率扰动,限制了任何补偿尝试的有效性.但是石英板设计和晶体封装的进步,如冷焊支架,使得每天生产频率相对于温度曲线和老化速率低至1×10(或1×10pm)的晶体成为可能.
■热敏电阻/电阻网络
补偿
热敏电阻/电阻TxOs是50年来晶体振荡器温度补偿的主要支柱.一个或多个热敏电阻网络产生的校正电压抵消了压控振荡器的频率-温度变化.电压可变电容变容二极管的引入,以及负温度系数热敏电阻的改进,使得能够更精确地补偿晶体[4].早在1961年,薪酬比率就达到了100比1以上.这表明在温度范围内峰峰值偏差为40ppm的晶体可以被混合
补偿到0.4ppm的水平.如今,两个数量级的比率大约是热敏电阻/电阻补偿的极限,尽管通过改进的自动化系统和计算机分析能力,达到这一水平变得更加容易.但是即使在今天,要达到高于0.5ppm的稳定性,需要多次温度运行和至少三个热敏电阻的重复网络调整.使用电阻微调或热敏电阻灵敏度的数字调节实现补偿过程自动化的一些尝试在[5]中取得了一定的成功,但是这些配置不容易集成到小封装尺寸要求中.
■数字温度补偿
到了20世纪70年代末,集成电路技术的进步使得利用模数转换和固态存储器实现补偿系统成为现实[6].虽然以今天的标准来看,这些实现是粗糙的,但是数字TCXO晶振的性能超过了0.1ppm,是由包括洛克威尔•柯林斯和格林雷晶振工业公司在内的几家公司生产的.多年来,开发了其他数字实现,其中许多具有嵌入式计算能力,便于校准和系统操作.一些采用了精心设计的温度测量方案,如双模晶体自适应温度感应.虽然这些设计中的一些实现了0.05PPM或更高的温度稳定性,但是它们是1PPM

图1.AT切割晶体基频的特征温度曲线族.

是较大且相对复杂的组件,通常存在虚假噪声产生问题.■模拟积分
随着大规模集成的能力不断扩展,将温度补偿所需的更多功能纳入单个IC成为可能.这导致了目前的ASICs的出现,这种ASICs只允许用两个组件来构造精确的模拟TCXO:ASIC加上石英晶体.
TCXO应用中出现的最新设备是复杂的大规模集成电路,结合了精密模拟功能、非易失性数字存储、变容二极管和RF振荡器电路[7].图2展示了通用设备的框图.尽管第一代制造导致了相对较大的芯片,但几何尺寸的减少产生了更小的集成电路,使得一个完整的精密TCXO能够封装在一个小至5032贴片晶振的封装中.■多项式函数发生器
ASIC的核心是多项式函数发生器引擎.目标是产生一个温度变化电压,该电压将与在整个温度范围内保持振荡器频率准确正常所需的VCXO电压相匹配.从线性温度传感器开始,然后使用一系列模拟乘法,模拟高阶多项式的系数.该功能描述为:
-f/f(T)=A0+a1(T-Ti)+a2(T-Ti)+a3(T-Ti)+a4(T-Ti)+a5(T-Ti)
其中A0至a5是要生成的多项式的系数,T是当前温度,Ti是晶体的拐点温度(晶体曲线相对于上下转折点居中的温度,通常在+26°C左右).
校准变量的调整范围,以覆盖AT切割晶振随温度变化的角度.所有温度都参考晶体拐点温度.系数值作为数字存储在芯片上的非易失性寄存器中.虽然理想的AT晶体应该遵循三阶曲线,但电路和晶体中的非线性要求包含高阶项,以便获得与所需补偿电压曲线的匹配.晶体拐点温度在匹配曲线时很重要,并且是必须可编程的变量之一,以便使用更大范围的晶体.一些小型带状晶体可能具有高达40°C的弯曲,这可能会使精确的曲线拟合变得困难.
■集成振荡器功能
除了函数发生器,所有其他振荡器功能都包含在最新的芯片中.精密低压降(LDO)稳压器为所有片内电路供电.由于必须保持稳定的电压以实现所需的频率稳定性,精确的基准电压源是必不可少的.低至+2.7Vdc的操作是可能的.
晶体振荡器驱动电路是片上可编程晶体驱动电流,以适应一定范围的晶体阻抗和频率.调节振荡器频率的电压可变电容器通常被实现为MOS结构,而不是传统的掺杂结二极管.由于器件的低压操作,需要相对高的调谐灵敏度,并且可能超过50ppm/V

图2集成TCXO专用集成电路

■校准和补偿程序
由于晶体/振荡器组合的性质,当考虑亚ppm水平时,有必要单独测量和校准每个振荡器.尽管给定批次中的大多数TCXO相似,但是当试图将曲线匹配到百万分之一以下时,没有两个是相同的.重要的是在感兴趣的温度范围内主动对每个单元进行字符化,以便计算将加载到单元中的初始系数参数.
执行要求运行,其中每个石英振荡器在感兴趣的温度范围内工作,同时确定保持输出在标称频率上所需的VCXO控制电压.然后,该数据被输入到曲线拟合算法,该算法计算给出最佳匹配的多项式系数.这些系数值被加载到ASIC中,并进行另一次温度测试,以确定频率漂移是否在规定的允许范围内.虽然根据具体情况,第一次运行时可能会获得一些产量,但大多数单位都需要进行校正,然后重新验证.这是由于初始测量的准确性和可重复性.
使用可编程的ASICs,自动测试系统被设置为在没有操作员交互的情况下执行所有这些功能.
■静态频率与温度特性
可实现的频率对温度性能是多项式发生器产生的补偿电压曲线与VCXO振荡器所需电压匹配程度的函数.许多变量影响这种能力,包括VCXO的调谐线性度；哭的质量,即.它与理想AT曲线的接近程度；其他振荡器部件的温度系数；晶体的拐点温度；
和电压基准的稳定性.图3显示了可以实现的频率与温度性能.
■温度斜坡测试
在变化的温度条件下发生的频率偏移将根据温度变化的方向和速率而变化.一个重要的特征是ASIC的晶体和温度传感器之间的紧密热耦合.这种热路径对于微型封装来说本来就很短,因为晶体和ASIC物理上很接近.正因为如此,大多数小型TCXOs都会表现良好.图4
显示了回转温度运行期间的20MHz振荡器.红色曲线显示右侧y轴上的腔室温度4,蓝色曲线是左侧y轴上的振荡器频率.x轴将时间绘制为

图3.频率与温度的关系为20HzTCXO,间隔2°C.

温度
标准化为读数(每次读数需要20毫秒).从+25°C开始,以8°C/分钟的速度将腔室升至+90°C.稳定后,它以相同的速度下降到-60℃.除了温度超过补偿范围的热端峰值之外,可以看出斜坡的影响很小,从相反方向的斜坡可以看出很少滞后.■扰动和微跳跃
TCXO晶体在历史上一直受到其温度性能异常的困扰,这些异常是由于空白设计或晶体加工和制造中的缺陷造成的.边缘空白几何形状可导致可能接近期望模式频率的其他振荡模式的耦合.这些模式会干扰不同温度下的振荡器频率,导致晶振电阻或“活动下降”增加,并导致频率偏移.这些扰动通常发生在狭窄的温度范围内.电路可能会在这些点停止振荡,或者在通电时不会启动.■微跳跃

图4.C/分钟温度斜坡期间的20HzTCXO频率.

另一个可能在温度上出现的不一致是频率的跳跃或阶跃偏移.这些偏移很小,通常在正常TCXO测试中不会观察到.很多时候,TCXOs只在温度范围内的6到8点进行测试.在这种情况下,许多扰动和跳跃都不会被察觉.在这种类型的不规则性对系统性能至关重要的应用中,应该在更多的点上测试振荡器.以28个间隔进行测试是一个很好的折衷方案,可以在不增加测试时间的情况下捕捉大多数扰动.
为了获得最大的信心,当温度从一个极端上升到另一个极端并返回时,每个振荡器的频率应该被持续监控.这种类型的测试保证了存在的任何扰动或微跳跃都将被捕获.图5显示了20MHzTCXO的筛选结果,该结果在8°C/分钟斜坡曲线期间被监控.在整个时间内,输出频率每秒连续记录50次,读数之间没有停滞时间.蓝线是连续读数之间的差异图,它突出显示了任何瞬时跳跃.这种AT带晶体在整个测试过程中没有显示出任何扰动和一些微小的跳跃,这表明TCXO具有卓越的性能.

图5.连续频率采样之间的第一个差异.

图6放大了3059号读数周围的区域.y轴是赫兹的频率,表示大约10ppb的步长.这些小步骤是相当可重复的,尽管当温度向相反方向旋转时,它们可能不会出现.■老化
大多数TCXO用户关心的另一个参数是由老化引起的频率的长期漂移.虽然其他振荡器部件可能会导致老化,但在精心设计的振荡器中,老化主要是由晶体引起的.晶体谐振频率发生变化
因为质量转移到石英坯件或从石英坯件转移.安装应力的松弛也会起到一定的作用.压电石英晶体设计和加工的进步已经将老化能力降低到每年1ppm以下,即使对于小型封装也是如此.振荡器10年或20年预期寿命的长期预测可能低于5ppm,因为老化速率会随着时间衰减.老化效应可以通过使用MIL-SPEC对数模型的曲线拟合外推来预测:
-f/f(t)=A0+a1ln(1+a2t)
其中t是以天为单位的时间,A0、a1和a2是为拟合样本数据而调整的数值系数.
■加速度灵敏度
如果振荡器的工作环境包括振动和冲击水平,晶体的加速度或“g”灵敏度(g=9.8m/s)可能是一个重要参数.振动水平将调制输出,从而在信号上产生噪声边带.冲击脉冲会在频率上产生短暂的扰动,这对于锁相环或类似电路可能会有问题.微型AT带状晶体可以被设计成对这些力提供低灵敏度.最差轴上低于每克5x10(或5x10pm)的水平通常用于关键应用.由于条形谐振器及其支座的设计,加速度的最差轴是可以预测的.向量总是指向垂直或z轴,几乎直接垂直于晶体板.x轴和y轴的灵敏度非常低.这些晶体还能承受高度的烟火冲击.一些已经测试到100,000克■未来趋势

图6.10ppb微跳转的扩展视图.

由于基本的TCXO架构已经集成到单个IC中,这适用于许多应用,进一步减小精密振荡器的尺寸将需要更小的谐振器.尽管体模石英晶体谐振器可以做得很小,但物理限制使得可用器件无法制作到一定尺寸以下.表面贴装封装具有3.2mm×5mm或更小的占地面积(图7),具有合理的运动参数和稳定性.但是,远远超过这个水平的减少可能需要谐振器技术的进步.硅微加工谐振器可以在与振荡器电路[9]相同的管芯上制造.尽管这些振荡器还没有达到精确TCXO的稳定性,但是进一步的改进是针对这个目标的.这些设备可能很快开始取代低端,大容量应用中适用于无线,有线电话,航空航天,军事,卫星和其他通信市场的精密石英振荡器.

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