Rakon溫度補償晶振使用指南
來源：http://m.cnhxbh.com 作者：金洛鑫電子 2018年09月25
大陸的工廠和企業(yè)采購的溫補晶振都是來自海外，因為我國的科技雖先進的，但電子元件制造工藝與國外相比，仍有不小的距離，特別是頻率控制元器件，70%以上都是應(yīng)用進口晶振。隨著現(xiàn)在國內(nèi)科技越來越高，產(chǎn)品越做越高端，普通的晶體愈發(fā)不能滿足產(chǎn)品需求，尤其是移動通信，網(wǎng)絡(luò)，電源管理，新能源，超級計算機，智能電子，無人機，醫(yī)療，工業(yè)，軍用設(shè)備等領(lǐng)域，要領(lǐng)先性能比較優(yōu)越的溫度補償性晶體振蕩器，才能維持設(shè)備的正常工作。
推動這種性能的補償引擎是Rakon專有的ASIC Pluto™及其后續(xù)產(chǎn)品Pluto+™。這些ASIC提供真正的模擬補償，無數(shù)字化誤差，從而實現(xiàn)平滑的頻率在整個工作溫度范圍內(nèi)的特性。除了出色的補償性能外，TCXO的頻率調(diào)諧線性度性能優(yōu)于1％。
這種性能水平使TCXO能夠在以前使用過OCXO晶振的應(yīng)用中使用指定。TCXO將在電，熱和電氣系統(tǒng)環(huán)境中提供最佳性能機械穩(wěn)定，安靜。在實際應(yīng)用中這將不可避免地存在噪聲和不穩(wěn)定性文件旨在考慮其影響，并概述一些指導(dǎo)原則和實現(xiàn)了可以采取的確保最佳性能的實際步驟。
溫度補償
自由運行的石英晶體振蕩器表現(xiàn)出頻率隨晶體溫度的顯著變化在設(shè)備的工作溫度范圍內(nèi)的變化。這種頻率與溫度不穩(wěn)定使用溫度補償可以改善大約兩個數(shù)量級。
Rakon生產(chǎn)的每一件TCXO都是制造工藝的一部分。表征在精心控制的測試環(huán)境中進行，提供穩(wěn)定的熱環(huán)境需要確保振蕩器的晶體和溫度傳感元件處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)進行頻率測量時。使用最小化頻率誤差所需的補償電壓從這些頻率測量值計算溫度。因此，最好的TCXO性能將是當振蕩器的工作環(huán)境具有與其相同的穩(wěn)定熱特性時，可以提供用于器件表征的制造測試環(huán)境。
當然，用于物理，電氣和熱環(huán)境之間存在顯著差異Rakon晶振的特征描述和最終用戶應(yīng)用程序提供的特征。在理想的振蕩器溫度控制中系統(tǒng)石英晶體的有效區(qū)域和溫度傳感元件將經(jīng)歷相同的溫度和溫度變化相同。在這些條件下，將沒有錯誤組件由于石英晶體和溫度傳感器之間的溫差引起的補償。實現(xiàn)然而，這兩個組件需要占用設(shè)備內(nèi)的完全相同的物理空間不可能。實際上，振蕩器設(shè)計用于最小化晶體之間的任何溫差并且溫度傳感器非常小心，以確保物理分離和熱阻抗它們之間的最小化。
熱管理的原則必須擴展到系統(tǒng)環(huán)境，再次，最好當晶體和溫度傳感器之間的溫度梯度變化時，將實現(xiàn)性能最小化。此外，由于溫度傳感器位于TCXO ASIC上，所有其他有源電路，必須注意保持振蕩器的功耗恒定，以免影響溫度傳感器和晶體之間的相關(guān)性。
創(chuàng)建安靜的熱環(huán)境-熱系統(tǒng)設(shè)計對流，傳導(dǎo)和輻射的作用都可以產(chǎn)生熱梯度和它們的影響在系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)該仔細考慮機制。晶振的理想環(huán)境是一個在設(shè)備的所有側(cè)面溫度穩(wěn)定均勻的地方。在實踐中當然是振蕩器的基礎(chǔ)焊接到印刷電路板上，而其頂面可能處于靜止或強制通風(fēng)和熱量從這兩個表面轉(zhuǎn)移將是不同的。另外，系統(tǒng)設(shè)計和布局可能需要振蕩器靠近一個面上的功率元件，而相對的面暴露在冷卻的強制空氣中風(fēng)扇。同樣，目標是避免這些差異，并盡可能減少它們無法避免的影響。
如果設(shè)計允許，最好將溫度補償晶振與以下效果隔離：
1.高功耗元件引起的設(shè)備局部熱點
2.來自冷卻風(fēng)扇的強制空氣流動
3.可見光和紅外頻段的輻射能量
4.跟蹤振蕩器下方（特別是密集的地平面），可以通過傳導(dǎo)增加傳熱
通過在溫補振蕩器設(shè)計中加入蓋子可以減弱這些影響。這將屏蔽設(shè)備對流和輻射的直接影響，將減少上述（1），（2）和（3）的影響。封閉的卷（靜止）空氣也將提供隔熱板，減少熱瞬態(tài)的影響。
Rakon為此提供塑料蓋（P/N PCV00015AA1）。適合蓋鉆4個孔（直徑0.7毫米，x=13.5mm，y=8.5mm）與TCXO位置等距，如下圖所示：
蓋子需要用粘合劑固定。適用于將元件粘合到印刷電路板上的任何粘合劑可以使用。實例是Loctite 3220和Epotek TJ1104-LH（以前稱為Epotek 102-104）。這些例子僅供參考-用戶仍負責(zé)評估其應(yīng)用的適用性。為了正確使用粘合劑請參考制造商的技術(shù)數(shù)據(jù)表和材料安全數(shù)據(jù)表。
通過保持有源晶振下方的區(qū)域不高，可以最小化通過傳導(dǎo)的熱傳遞導(dǎo)電金屬跟蹤和通過在印刷電路板中引入槽來產(chǎn)生不連續(xù)性熱傳導(dǎo)路徑。
為獲得最佳穩(wěn)定性，建議按照詳細規(guī)范中的規(guī)定加載額定負載的輸出因為使用此負載將導(dǎo)致輸出級的功耗與補償時相同生產(chǎn)。根據(jù)驅(qū)動的輸入級所代表的負載，可能需要添加一個附加電容器。例如，如果輸入和軌道的組合負載為5pF，標稱負載表示為然后，從輸出到GN??D，應(yīng)加一個~5 pF的電容。
對于具有電壓控制的設(shè)備，對控制電壓（Vc）線的不穩(wěn)定性的敏感度將取決于調(diào)諧為設(shè)備指定的范圍。出于說明目的，具有典型增益的器件的Vc線上的1mV誤差傳輸（Kv）+10ppm/V將導(dǎo)致器件輸出頻率出現(xiàn)10ppb的誤差。這代表了一個可用頻率穩(wěn)定性預(yù)算的很大一部分，并強調(diào)了對Vc信號的需求準確，穩(wěn)定，無噪音。
回流焊接組件
如果溫度曲線兼容，這些TCXO有源晶振適用于無鉛工藝的回流焊接該配置文件包含在振蕩器的詳細規(guī)范中。暴露在回流溫度下會產(chǎn)生用于安裝晶體坯料的粘合劑的尺寸變化。留出足夠的時間很重要在進行任何頻率校準之前，使粘合劑松弛至其正常固化狀態(tài)系統(tǒng)。Rakon建議在進行任何系統(tǒng)校準之前，系統(tǒng)在回流后保持靜止24小時完成了。
振蕩器預(yù)熱時間
TCXO將立即提供輸出信號（小于15ms），頻率將接近標稱值頻率與秒。但是，由于其內(nèi)部功耗，溫度將增加約1°C第一分鐘（對于隔離測量的TCXO）。電路板上的其他電路很可能會產(chǎn)生相當多的熱量和電路板溫度比環(huán)境高出10-25°C并不少見。該在任何校準或之前，應(yīng)允許振蕩器和放置它的電路板達到熱平衡測量發(fā)生。
老化
TCXO的頻率隨時間變化非常緩慢，這稱為衰老。老化以對數(shù)方式減少。最大的變化發(fā)生在制造后不久，通常每天<±20ppb。這將減少到幾周后每天不到幾ppb。對于帶電壓控制的部件，調(diào)諧范圍為以這樣的方式確定頻率，使得頻率可以在產(chǎn)品的使用壽命期間始終調(diào)回到標稱值。具有嚴格老化要求的零件在工廠中經(jīng)過特殊處理。
相位噪聲/EVM注意事項
從TCXO貼片晶振中獲得最佳相位噪聲是許多應(yīng)用的關(guān)鍵要求。例如在基地站收發(fā)器，相位噪聲將直接影響誤差矢量幅度（EVM）。為了滿足要求相位噪聲/EVM性能重要的是要考慮以下因素：
選擇最適合驅(qū)動下一階段的輸出類型。請檢查輸入信號（電平，波形）形狀）將為芯片組制造商提供最佳的相位噪聲/EVM性能。
Rakon建議使用Pluto+以獲得最佳相位噪聲性能。
使用電源紋波<20μV的低噪聲電源穩(wěn)壓器。
如果不需要，請不要緩沖輸出信號，因為緩沖器會降低相位噪聲。如果緩沖是不可避免地使用低噪聲緩沖器，并使用100Ω+1μF低通濾波器將其電源線去耦。
控制電壓（如果是規(guī)范的一部分）需要無噪聲，因為控制電壓上的任何噪聲都會調(diào)制載體。要對此進行故障排除，建議重復(fù)相位噪聲或EVM測量控制電壓與其正常驅(qū)動電路斷開，但連接到干凈的外部電壓代替。
Cospas-Sarsat Beacon TCXO的附加指南
僅使用明確設(shè)計用于Cospas-Sarsat信標的TCXO。記下序列號用于型式認可的TCXO（即標記），因為制造商必須提供中期穩(wěn)定性（MTS）數(shù)據(jù)用于與完成的信標的MTS進行比較。確保TCXO晶振的類與該類匹配信標（NB如果應(yīng)用需要它，Rakon能夠提供具有擴展工作溫度的TCXO范圍超出Cospas-Sarsat Class 1＆2Profile所要求的范圍。確保標稱頻率振蕩器適用于目前開放的信道，用于新信標的鑒定。不要超過規(guī)范中規(guī)定的電源電壓范圍。建議評估供應(yīng)情況。
成品電壓隨時間變化。
熱沖擊測試性能取決于信標本身的熱特性，即信號的速度有多快外部溫度沖擊傳遞給振蕩器。對于第一代信標，最好是制作溫度變化盡可能快地發(fā)生（讓溫度在15分鐘的預(yù)熱期內(nèi)穩(wěn)定下來）?？梢酝ㄟ^使振蕩器與信標的外殼熱接觸來實現(xiàn)這一點。這個在TCXO和環(huán)境之間提供低熱阻抗路徑并增加阻尼的熱質(zhì)量溫度變化小。然而，對于第二代信標，這可能不是最佳的熱量位置，因為信標在幾秒鐘內(nèi)處于活動狀態(tài)。標準的第二代信標振蕩器規(guī)范已經(jīng)實現(xiàn)建立滿足EVM要求，只要振蕩器內(nèi)的信號溫度運動在熱沖擊條件下，溫度低于10°C/分鐘。因此可能需要對其進行隔熱與第一代相比，來自信標外部的振蕩器用于第二代信標。
Rakon的選擇
ASIC的相對定位和不同附著方法的結(jié)構(gòu)差異在5x3.2vs由于導(dǎo)電，7x5封裝導(dǎo)致5032晶振對熱源的敏感度顯著提高，對流或輻射能。為了最大限度地減小熱梯度效應(yīng)，應(yīng)將振蕩器定位于此從同一PCB上的熱源到振蕩器的熱傳導(dǎo)很低，并且屏蔽了兩者的對流裝置周圍的空氣流動，以及入射的輻射能量。諸如地球和電力分裂等技術(shù)平面減少傳導(dǎo)，并使用射頻屏蔽消除對流和輻射能量可以非常在這方面有效。
如果某些電路間歇性地接通，則可能產(chǎn)生足夠的熱量來干擾熱平衡導(dǎo)致MTS失敗。使這些電路遠離振蕩器區(qū)域。我們建議信標制造商在提交類型批準之前測試信標的合規(guī)性（特別是“熱沖擊試驗”和“頻率穩(wěn)定性試驗與溫度梯度”的符合性）。
推動這種性能的補償引擎是Rakon專有的ASIC Pluto™及其后續(xù)產(chǎn)品Pluto+™。這些ASIC提供真正的模擬補償，無數(shù)字化誤差，從而實現(xiàn)平滑的頻率在整個工作溫度范圍內(nèi)的特性。除了出色的補償性能外，TCXO的頻率調(diào)諧線性度性能優(yōu)于1％。
這種性能水平使TCXO能夠在以前使用過OCXO晶振的應(yīng)用中使用指定。TCXO將在電，熱和電氣系統(tǒng)環(huán)境中提供最佳性能機械穩(wěn)定，安靜。在實際應(yīng)用中這將不可避免地存在噪聲和不穩(wěn)定性文件旨在考慮其影響，并概述一些指導(dǎo)原則和實現(xiàn)了可以采取的確保最佳性能的實際步驟。
溫度補償
自由運行的石英晶體振蕩器表現(xiàn)出頻率隨晶體溫度的顯著變化在設(shè)備的工作溫度范圍內(nèi)的變化。這種頻率與溫度不穩(wěn)定使用溫度補償可以改善大約兩個數(shù)量級。
Rakon生產(chǎn)的每一件TCXO都是制造工藝的一部分。表征在精心控制的測試環(huán)境中進行，提供穩(wěn)定的熱環(huán)境需要確保振蕩器的晶體和溫度傳感元件處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)進行頻率測量時。使用最小化頻率誤差所需的補償電壓從這些頻率測量值計算溫度。因此，最好的TCXO性能將是當振蕩器的工作環(huán)境具有與其相同的穩(wěn)定熱特性時，可以提供用于器件表征的制造測試環(huán)境。
當然，用于物理，電氣和熱環(huán)境之間存在顯著差異Rakon晶振的特征描述和最終用戶應(yīng)用程序提供的特征。在理想的振蕩器溫度控制中系統(tǒng)石英晶體的有效區(qū)域和溫度傳感元件將經(jīng)歷相同的溫度和溫度變化相同。在這些條件下，將沒有錯誤組件由于石英晶體和溫度傳感器之間的溫差引起的補償。實現(xiàn)然而，這兩個組件需要占用設(shè)備內(nèi)的完全相同的物理空間不可能。實際上，振蕩器設(shè)計用于最小化晶體之間的任何溫差并且溫度傳感器非常小心，以確保物理分離和熱阻抗它們之間的最小化。
熱管理的原則必須擴展到系統(tǒng)環(huán)境，再次，最好當晶體和溫度傳感器之間的溫度梯度變化時，將實現(xiàn)性能最小化。此外，由于溫度傳感器位于TCXO ASIC上，所有其他有源電路，必須注意保持振蕩器的功耗恒定，以免影響溫度傳感器和晶體之間的相關(guān)性。
創(chuàng)建安靜的熱環(huán)境-熱系統(tǒng)設(shè)計對流，傳導(dǎo)和輻射的作用都可以產(chǎn)生熱梯度和它們的影響在系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)該仔細考慮機制。晶振的理想環(huán)境是一個在設(shè)備的所有側(cè)面溫度穩(wěn)定均勻的地方。在實踐中當然是振蕩器的基礎(chǔ)焊接到印刷電路板上，而其頂面可能處于靜止或強制通風(fēng)和熱量從這兩個表面轉(zhuǎn)移將是不同的。另外，系統(tǒng)設(shè)計和布局可能需要振蕩器靠近一個面上的功率元件，而相對的面暴露在冷卻的強制空氣中風(fēng)扇。同樣，目標是避免這些差異，并盡可能減少它們無法避免的影響。
如果設(shè)計允許，最好將溫度補償晶振與以下效果隔離：
1.高功耗元件引起的設(shè)備局部熱點
2.來自冷卻風(fēng)扇的強制空氣流動
3.可見光和紅外頻段的輻射能量
4.跟蹤振蕩器下方（特別是密集的地平面），可以通過傳導(dǎo)增加傳熱
通過在溫補振蕩器設(shè)計中加入蓋子可以減弱這些影響。這將屏蔽設(shè)備對流和輻射的直接影響，將減少上述（1），（2）和（3）的影響。封閉的卷（靜止）空氣也將提供隔熱板，減少熱瞬態(tài)的影響。
Rakon為此提供塑料蓋（P/N PCV00015AA1）。適合蓋鉆4個孔（直徑0.7毫米，x=13.5mm，y=8.5mm）與TCXO位置等距，如下圖所示：
蓋子需要用粘合劑固定。適用于將元件粘合到印刷電路板上的任何粘合劑可以使用。實例是Loctite 3220和Epotek TJ1104-LH（以前稱為Epotek 102-104）。這些例子僅供參考-用戶仍負責(zé)評估其應(yīng)用的適用性。為了正確使用粘合劑請參考制造商的技術(shù)數(shù)據(jù)表和材料安全數(shù)據(jù)表。
通過保持有源晶振下方的區(qū)域不高，可以最小化通過傳導(dǎo)的熱傳遞導(dǎo)電金屬跟蹤和通過在印刷電路板中引入槽來產(chǎn)生不連續(xù)性熱傳導(dǎo)路徑。
為獲得最佳穩(wěn)定性，建議按照詳細規(guī)范中的規(guī)定加載額定負載的輸出因為使用此負載將導(dǎo)致輸出級的功耗與補償時相同生產(chǎn)。根據(jù)驅(qū)動的輸入級所代表的負載，可能需要添加一個附加電容器。例如，如果輸入和軌道的組合負載為5pF，標稱負載表示為然后，從輸出到GN??D，應(yīng)加一個~5 pF的電容。
對于具有電壓控制的設(shè)備，對控制電壓（Vc）線的不穩(wěn)定性的敏感度將取決于調(diào)諧為設(shè)備指定的范圍。出于說明目的，具有典型增益的器件的Vc線上的1mV誤差傳輸（Kv）+10ppm/V將導(dǎo)致器件輸出頻率出現(xiàn)10ppb的誤差。這代表了一個可用頻率穩(wěn)定性預(yù)算的很大一部分，并強調(diào)了對Vc信號的需求準確，穩(wěn)定，無噪音。
回流焊接組件
如果溫度曲線兼容，這些TCXO有源晶振適用于無鉛工藝的回流焊接該配置文件包含在振蕩器的詳細規(guī)范中。暴露在回流溫度下會產(chǎn)生用于安裝晶體坯料的粘合劑的尺寸變化。留出足夠的時間很重要在進行任何頻率校準之前，使粘合劑松弛至其正常固化狀態(tài)系統(tǒng)。Rakon建議在進行任何系統(tǒng)校準之前，系統(tǒng)在回流后保持靜止24小時完成了。
振蕩器預(yù)熱時間
TCXO將立即提供輸出信號（小于15ms），頻率將接近標稱值頻率與秒。但是，由于其內(nèi)部功耗，溫度將增加約1°C第一分鐘（對于隔離測量的TCXO）。電路板上的其他電路很可能會產(chǎn)生相當多的熱量和電路板溫度比環(huán)境高出10-25°C并不少見。該在任何校準或之前，應(yīng)允許振蕩器和放置它的電路板達到熱平衡測量發(fā)生。
老化
TCXO的頻率隨時間變化非常緩慢，這稱為衰老。老化以對數(shù)方式減少。最大的變化發(fā)生在制造后不久，通常每天<±20ppb。這將減少到幾周后每天不到幾ppb。對于帶電壓控制的部件，調(diào)諧范圍為以這樣的方式確定頻率，使得頻率可以在產(chǎn)品的使用壽命期間始終調(diào)回到標稱值。具有嚴格老化要求的零件在工廠中經(jīng)過特殊處理。
相位噪聲/EVM注意事項
從TCXO貼片晶振中獲得最佳相位噪聲是許多應(yīng)用的關(guān)鍵要求。例如在基地站收發(fā)器，相位噪聲將直接影響誤差矢量幅度（EVM）。為了滿足要求相位噪聲/EVM性能重要的是要考慮以下因素：
選擇最適合驅(qū)動下一階段的輸出類型。請檢查輸入信號（電平，波形）形狀）將為芯片組制造商提供最佳的相位噪聲/EVM性能。
Rakon建議使用Pluto+以獲得最佳相位噪聲性能。
使用電源紋波<20μV的低噪聲電源穩(wěn)壓器。
如果不需要，請不要緩沖輸出信號，因為緩沖器會降低相位噪聲。如果緩沖是不可避免地使用低噪聲緩沖器，并使用100Ω+1μF低通濾波器將其電源線去耦。
控制電壓（如果是規(guī)范的一部分）需要無噪聲，因為控制電壓上的任何噪聲都會調(diào)制載體。要對此進行故障排除，建議重復(fù)相位噪聲或EVM測量控制電壓與其正常驅(qū)動電路斷開，但連接到干凈的外部電壓代替。
Cospas-Sarsat Beacon TCXO的附加指南
僅使用明確設(shè)計用于Cospas-Sarsat信標的TCXO。記下序列號用于型式認可的TCXO（即標記），因為制造商必須提供中期穩(wěn)定性（MTS）數(shù)據(jù)用于與完成的信標的MTS進行比較。確保TCXO晶振的類與該類匹配信標（NB如果應(yīng)用需要它，Rakon能夠提供具有擴展工作溫度的TCXO范圍超出Cospas-Sarsat Class 1＆2Profile所要求的范圍。確保標稱頻率振蕩器適用于目前開放的信道，用于新信標的鑒定。不要超過規(guī)范中規(guī)定的電源電壓范圍。建議評估供應(yīng)情況。
成品電壓隨時間變化。
熱沖擊測試性能取決于信標本身的熱特性，即信號的速度有多快外部溫度沖擊傳遞給振蕩器。對于第一代信標，最好是制作溫度變化盡可能快地發(fā)生（讓溫度在15分鐘的預(yù)熱期內(nèi)穩(wěn)定下來）?？梢酝ㄟ^使振蕩器與信標的外殼熱接觸來實現(xiàn)這一點。這個在TCXO和環(huán)境之間提供低熱阻抗路徑并增加阻尼的熱質(zhì)量溫度變化小。然而，對于第二代信標，這可能不是最佳的熱量位置，因為信標在幾秒鐘內(nèi)處于活動狀態(tài)。標準的第二代信標振蕩器規(guī)范已經(jīng)實現(xiàn)建立滿足EVM要求，只要振蕩器內(nèi)的信號溫度運動在熱沖擊條件下，溫度低于10°C/分鐘。因此可能需要對其進行隔熱與第一代相比，來自信標外部的振蕩器用于第二代信標。
Rakon的選擇
ASIC的相對定位和不同附著方法的結(jié)構(gòu)差異在5x3.2vs由于導(dǎo)電，7x5封裝導(dǎo)致5032晶振對熱源的敏感度顯著提高，對流或輻射能。為了最大限度地減小熱梯度效應(yīng)，應(yīng)將振蕩器定位于此從同一PCB上的熱源到振蕩器的熱傳導(dǎo)很低，并且屏蔽了兩者的對流裝置周圍的空氣流動，以及入射的輻射能量。諸如地球和電力分裂等技術(shù)平面減少傳導(dǎo)，并使用射頻屏蔽消除對流和輻射能量可以非常在這方面有效。
如果某些電路間歇性地接通，則可能產(chǎn)生足夠的熱量來干擾熱平衡導(dǎo)致MTS失敗。使這些電路遠離振蕩器區(qū)域。我們建議信標制造商在提交類型批準之前測試信標的合規(guī)性（特別是“熱沖擊試驗”和“頻率穩(wěn)定性試驗與溫度梯度”的符合性）。
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