該篇文章康比電子要介紹的260系列振蕩器的未來改進可能包括通過DDS提供調諧的產品版本.這有利于消除調諧電路對溫度和老化的影響.此外,目前正在進行一項研究,以充分了解濕度,壓力,振蕩器內部氣體的熱系數以及熱滯后的影響.
精密石英晶體振蕩器在滿足從衛星通信系統到電話基站和數字電話網絡的各種應用需求方面發揮著至關重要的作用.這些應用對當今可用的頻率源提出了嚴格的要求,不僅是為了性能,也是為了降低成本.
必須實現整體小尺寸的基本設計目標,以便將預熱和連續運行期間的功率降至最低.它還將支持低零件數量的目標,從而降低成本,同時帶來更適合大規模制造環境的設計.
圖1:260系列結構框圖
為了實現<2e-10/100℃的必要熱穩定性和低相位噪聲,260系列設計采用封裝在雙烘箱中的SC切割石英晶體.圖1顯示了振蕩器的結構框圖.石英晶體和維持電路位于內爐內部.然后,內部烤箱組件被第二外部烤箱組件包圍.這為石英晶振和振蕩器元件提供了一個高度穩定的溫控外殼,從而產生出色的熱穩定性和低相位噪聲,尤其是在載波頻率低于1Hz的情況下.
如圖1中的框圖所示,內部烤箱控制和輸出放大器電路也被外部烤箱組件包圍.這通過降低溫度變化對內部烘箱控制和放大器電路的影響,提供了更好的熱穩定性.
比較
過去幾年銣振蕩器的發展取得了進展——主要是在尺寸減小方面.然而,銣振蕩器的性能仍然存在某些固有的缺點.這些缺點的例子包括銣燈的有限壽命,振蕩器的總質量,熱穩定性,相位噪聲和功耗等等.
260系列尺寸為50.8毫米x50.8mm毫米x38.1mm毫米(0.098厘米),重量為150克.這種微型封裝在銣振蕩器不足的上述領域提供了卓越的性能.例如,在-30℃至+70℃的溫度范圍內,10兆赫茲(使用5兆赫茲晶體,然后加倍)260系列振蕩器的熱穩定性為<2e-10,1Hz偏移相位噪聲特性為<-100分貝/赫茲,裝運時老化速率為<5e-11/天.相比之下,在-10℃至+60℃的溫度范圍內,相同參數下典型銣鐘的性能分別為<2e-10,<-85DBC/Hz(1hz偏移)和<2e-12/天.260系列振蕩器的老化速率以<5e-11的速率進行測量和交付,但許多5MHz單元在持續運行1至2個月后,目前的老化速率低至2至5e-12/天.表1提供了260系列振蕩器的性能與銣振蕩器制造商公布的一些性能結果的比較,該振蕩器采用10兆赫茲SC切割石英貼片晶振.
從表1中的數據可以看出,260系列振蕩器的性能相當,在某些情況下,超過銣振蕩器的性能.這使得260系列成為銣振蕩器的可行替代品,特別是在熱穩定性提高和成本降低方面.對于無法權衡振蕩器老化速率的應用,260系列可與一級頻率標準結合使用,如羅蘭C,T1信號,全球定位系統等.,以約束振蕩器,從而提高長期穩定性能.總的結果可以是一個頻率基準,石英的短期穩定性和一級銫標準的長期穩定性相結合.石英振蕩器提供濾波功能,允許在很大程度上消除傳輸介質相對較大的抖動.
測試方法和結果
迄今為止,已經制造了4至20兆赫的各種頻率的振蕩器.5兆赫和10兆赫的頻率構成一個有統計意義的群體.討論的測試結果是針對這兩個頻率的振蕩器.
在生產過程中,對每個振蕩器的以下參數的性能特性進行評估:熱穩定性,老化,相位噪聲,短期穩定性和電源電壓靈敏度.下面是對這些參數的詳細討論.
耐熱性
溫度通常是石英晶體振蕩器幾周內不穩定的最大來源.260系列振蕩器采用雙烘箱配置,大大減弱了大的環境溫度變化.熱敏維持振蕩器電路和石英晶體容納在內爐中,使得環境溫度變化的影響最小化.
例如,如果外烘箱控制電路能夠將環境溫度變化衰減100倍,然后跟隨相似的內烘箱增益,那么內烘箱內的溫度變化將理想地衰減10,000倍的環境溫度變化.因此,對于100℃的環境溫度變化,內部烘箱中的溫度
示例僅相差0.01℃.我們可以進行一些粗略計算,以了解振蕩器電路和用上述烘箱控制電路穩定的石英晶體的預期熱性能.
假設烘箱的溫度可以設置在晶體轉折點的0.1℃以內,具有86℃轉折點的5MHzSC切割晶振的溫度系數可以近似為8e-10/℃.元件的溫度系數估計為1e-09/℃.因此,對于烘箱溫度的0.01℃變化(由于100℃的環境溫度變化),振蕩器的熱穩定性性能可以預期為8e-12+1e-11=1.8e-11
圖5MHz振蕩器的熱穩定性
圖10MHz振蕩器的熱穩定性
振蕩器在整個溫度范圍內的性能特點是以10°C的步長將環境溫度從最低指定溫度掃描到最高指定溫度.然后溫度被掃回到如圖2和圖3的右軸所示的最小值.初始和最終25℃溫度點之間測得的頻率差
用于通過假設測試時間段內的線性頻率漂移來抵消振蕩器頻率的任何漂移.圖2和圖3分別顯示了5兆赫和10兆赫振蕩器的熱穩定性.
老化
裝運前確定每個振蕩器的每日漂移率.這是通過在10到20天的延長時間內給裝置通電來實現的.在此期間,大約每隔2小時主動收集每個單元的數據.每次讀數平均為10次頻率測量,門控時間為1秒.測量的漂移率通過統計擬合一條直線到全部或部分數據集來確定.
圖4:5兆赫振蕩器的老化特性
5MHz振蕩器在408天內的老化結果如圖4所示.這個振蕩器的老化率是每天4.8e-12.對于圖5中的10MHz振蕩器,老化速率為3.3e-11/天.這兩個數字中顯示的測量不是在同一時期進行的.
圖10MHz振蕩器的老化特性
圖4中數據的跳躍是由于長時間斷電造成的.有趣的是,在最初的兩次電源中斷期間,該振蕩器的初始回掃是8e-10,然而,在大約60天的連續操作之后,回掃值降低到2e-10.
在圖5中,一個無法解釋的頻率跳躍6e-9發生在第70天.有源晶振振蕩器在這種狀態下持續以相同的速率老化75天.此時,頻率跳回到原來的老化曲線.頻率偏移的原因未知.每次跳躍都可能是由電源中斷引起的.呈現的老化數據代表了與電源中斷和室溫,濕度和5℃的正常環境波動有關的真實生活情況.這些單位居住在生產層,因此也經歷了大量的人類活動.
相位噪聲
圖5MHz振蕩器的相位噪聲結果
圖10MHz振蕩器的相位噪聲結果
相位噪聲測量是在HP3048A測試系統上使用兩個相似的振蕩器進行的.圖6和圖7分別顯示了5兆赫和10兆赫振蕩器的典型相位噪聲結果.顯示的圖表沒有說明相同的來源,因此,單個單元的實際性能比圖表中顯示的結果低3dB.
為了提供銣振蕩器的替代物,MTI-Milliren晶振技術公司設計并開發了一種超穩定的耐熱石英晶體振蕩器(260系列).振蕩器的開發是為了在不增加成本和固有損耗現象的情況下保持銣振蕩器的可比性能參數至關重要的應用,而損耗現象可能會損害系統設計目標.
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