便携式设备的设计者有一项艰巨的工作.市场需要显示低功耗(延长电池寿命)且足够坚固的设备,以经受住日常操作的严酷考验,包括意外跌落的影响.即使在极端环境下,设备也必须正常运行.通过减小尺寸来提高性能始终是一个重要目标.最后,设计者必须指定容易获得的部件满足并超过成品的设计要求以促进有效的制造过程.

龙湖电子本文将讨论通过使用温度补偿晶体振荡器(TCXO晶振)在温度波动的情况下保持恒定工作频率的挑战,这是便携式设备正常工作的关键之一.

晶体控制振荡器(XOs)长期以来一直用于调节便携式设备的工作频率.然而,当环境温度变化时,它们的频率会漂移.通常,温度补偿晶体振荡器或TCXO用于消除(或至少限制)这种频率变化.然而,仅仅认识到需要TCXO是不够的.设计者必须指定器件的工作特性,包括温度范围和所需的补偿程度.但是,仅仅指定温度范围也是不够的.

在一个完美的世界里,我们可以指定一个温度范围在-55℃和+125℃之间的振荡器,频率补偿为+/-0.01PPM,并且实际上让器件执行相应的操作.但是,现实世界受到物理和电学定律的限制,我们不能总是为给定的应用指定一个绝对完美的石英晶体振荡器.这就是为什么设备设计工程师应该总是在设计过程的最早阶段与振荡器供应商讨论他们的要求.然后,他们可以准确地确定振荡器的实际工作方式,并据此进行设计和规划.

福克斯电子公司的FOX801BH是一款SMD温控晶体振荡器这适用于各种需要优秀的频率稳定性.

振荡器基础知识

振荡器理论的简要回顾将有助于简化TCXO晶振的规格.

在其最简单的形式中,振荡器由放大器网络和相位校正网络组成.为了启动和维持振荡,电路周围的环路增益必须大于1,信号的相移必须等于2npi.gif-872Bytes,其中n是整数,如0,1,2或3.

相位校正网络包括石英晶体,通常在复阻抗平面的电感部分起作用.当以这种方式操作时,晶体被称为负载电容形式.石英晶振表现出优异的相位补偿特性,因此是可接受的频率确定装置.然而,设计者必须应对温度变化时频率漂移的趋势.

也许解决温度变化中频率漂移难题的最佳方法是利用补偿网络.补偿网络由耦合到振荡器电路反馈路径中的电抗元件的温度传感装置组成.该组件修改输出频率.尽管这样的网络会有所帮助,但它也会使事情复杂化,即使补偿技术已经成熟.振荡器尺寸必须增加以容纳这些额外的元件.功耗略有增加,因为组件也会消耗电能.

有两种主要类型的频率补偿网络;第三种是前两种的杂交.这些方法都值得考虑.了解有源晶振设计的这些方法将有助于设备设计人员在指定TCXO时做出明智的决定.

热敏电阻-电阻网络

方法一使用热敏电阻-电阻网络,其中温度间接改变元件的电容,元件是晶振电容负载的一部分,因此影响频率.不稳定的电源电压会改变输出频率.需要基准电压来稳定输出频率,这会增加电流消耗.

此外,基准电压源的输出部分存在噪声将会调制振荡器输出的频率.因此,需要低噪声基准电压源,这增加了总成本.还需要额外的印刷电路板面积来容纳这些额外的元件,使振荡器更大.

显然,这种方法与设计工程师降低成本,降低电流消耗和减小尺寸的目标背道而驰.

温度补偿的直接方法

晶体振荡器保持恒定的工作频率对于便携式电子设备的正常运行至关重要.

第二种温度补偿方法(通常称为"直接"方法)依赖于使用额定温度系数的电容来代替晶体反馈网络中常见的温度稳定电容.通过在特定温度范围内测试未补偿的振荡器,振荡器设计人员可以确定补偿频率所需的电容变化.利用该值,振荡器设计人员可以确定电容必须显示的温度系数.

实际上,温度系数通常是通过将不同温度系数的电容器相互并联来确定的.这种技术仅对贴片晶振频率/温度曲线的线性部分有效,但可以实现+/-0.5ppm量级的输出稳定性.与方法一相比,整体尺寸接近相等,功耗不受影响.成本增加仅仅是因为这种方法是测试密集型的,并且石英板的切割角度必须严格控制.这种控制涉及整个制造周期的大量测试.当使用这种方法时,结果非常好.对成本的影响因供应商而异.

"混合"温度补偿

"混合"方法结合了前面讨论的两种方法的最佳方面.热敏电阻与正负温度系数的电容并联放置.通过正确选择热敏电阻值和温度曲线,设计人员可以在电路中引入或移除所需的电容.这种方法允许在更宽的温度范围内进行频率补偿,因为(不同于直接方法),它可以用来补偿非线性晶体频率/温度特性.然而,"混合"方法有些难以实现.出现困难是因为必须仔细选择部件并进行广泛测试.在许多情况下,这几乎成为一种"手工测试和装配"的方法,而不是大规模生产的方法.它非常适合非常精确的TCXO晶振.