比XTAL振荡器更高精密的稳定性TCXO温度补偿晶体振荡器

当需要比xtal振荡器更高的精度和稳定性时,使用温度补偿晶体振荡器TCXO.比XTAL振荡器更高精密的稳定性TCXO温度补偿晶体振荡器,温度补偿晶体振荡器提供了抵消由晶体振荡器中的温度变化引起的频率变化的手段.该模块被称为温度补偿晶体振荡器或TCXO晶振,能够提供比标准晶体振荡器更高的性能.通过测量温度并对VCXO晶体振荡器施加校正电压,可以在保持低成本的同时显著提高性能.通常,许多分销商都可以提供各种频率,电源电压和封装的TCXO晶振,使开发人员能够将这些项目设计成许多电子设备.

晶体振荡器的温度性能

晶体振荡器能够提供比LC谐振器电路提供的更好的性能水平.然而,晶体振荡器仍受温度影响.即使AT切割的晶体也会受到温度的影响,尽管它们的操作已经过优化,可在0到70℃的温度范围内使用.

石英晶体谐振器温度频率曲线（AT切割晶体）

温度的影响在很大程度上是可重复和可定义的.因此,可以使用温度补偿晶体振荡器TCXO来补偿许多效应.

典型或预期性能水平的典型比较如下表所示：

表格中显示的是TCXO晶体振荡器和标准晶体振荡器可能出现的典型值

注意：这些性能数据非常通用,只能用于粗略的指导.确切数字取决于所使用的项目,这些数据应从制造商数据表中获得.

TCXO晶振解决方案

TCXO调节振荡器的频率以补偿由于温度变化而发生的变化.为实现这一目标,TCXO中的主要元件是压控晶体振荡器（VCXO）.它连接到一个检测温度的电路,并向振荡器施加一个小的校正电压,如下所示.

TCXO框图

有许多不同的元素构成整体温控振荡器：

补偿网络：补偿网络是整个系统运行的关键.上面可以看到振荡器的温度频率响应的近似曲线.实际曲线可以近似以3阶多项式表达式的形式表示,尽管更精确的表示考虑了一些非线性并且计算得接近5阶多项式.补偿网络需要检测温度并产生与此相反的电压.

早期的设计将使用模拟电路,并且通常直接使用电容器,电阻器和热敏电阻网络来直接控制振荡频率.这种类型的电路包括补偿网络图和晶体频率牵引块的两个块.

TCXO中使用的补偿电压

目前,技术通常采用间接方法,其中在补偿网络中感测温度,并且产生电压,该电压提供与温度曲线相反的频率变化.这可以使用模拟组件来实现,但是当前技术通常结合某种形式的数字信号处理以能够产生更准确的响应,并且可以通过利用特定石英晶体振荡器的响应对ROM进行编程来单独线性化单元.DSP电路通常包含在一个特殊的ASIC中,使其能够根据应用进行定制,而不会消耗太多电流.

振荡器拉电路：一旦产生电压,就会将其应用于可以拉动晶体振荡器频率的电路.通常,这包括变容二极管和一些低通滤波.

晶体振荡器：振荡器电路通常是标准电路,但设计用于为石英晶体提供理想驱动电平等操作条件.

电压调节器：为了防止外部电压变化引入不必要的频率偏移,整个TCXO应该包含一个电压调节器,它本身不应引入不必要的温度影响.

缓冲放大器：需要一个缓冲放大器来增加驱动输出.它应该为晶体振荡器提供隔离,使其免受可能出现的任何外部负载变化的影响.

此外,TCXO晶振通常具有外部调整功能,可以定期重置频率.这使得能够消除晶体老化的影响.校准调整之间的时间段取决于所需的准确度,但通常可以是六个月或一年.如果需要非常高的准确度,可以使用较短的时间段.

TCXO石英晶体振荡器的应用优势特点总结如下：

TCXO PPM性能：TCXO温度性能优于普通石英晶体振荡器.通常可以看到10到40倍改善的数字.上表中给出了不同温度范围的典型数字.在0至70℃的温度范围内,优于±1.5ppm的数字难以实现,因为它们属于成本显着增加的高精度类别.

功耗：鉴于所需的额外电路,TCXO的功耗将大于普通振荡器.此外,成本更高.还应该记住,振荡器启动后需要一段时间才能使振荡器稳定下来.取决于设计,这可以是100ms的量级,或者可能更长.

TCXO封装：TCXO可以提供各种封装,包括超小型2016晶振,2520温补晶振,3225晶振,5032以及7050晶振等,具体取决于它们的设计方式和最终用户的要求.最常见的结构形式是在小型印刷电路板上构建电路,该电路板可以放置在平板金属封装中.这适合安装到整个设备的主电路板上.由于晶体本身是密封的,这意味着整个TCXO封装的密封并不重要,甚至大多数应用都需要.

输出格式和电平：由于许多TCXO用于驱动数字电路,大多数小型振荡器封装产生所谓的限幅正弦波.这适用于驱动逻辑电路,尽管在许多情况下,通过逻辑缓冲器确保它足够方形是明智的.输出通常是开路集电极电路.如果需要正弦波输出,那么必须在开始时选择它,这将限制可用的选择.

电源要求：实际电源要求取决于特定设备.许多电源采用3 V电源供电,可能只需2 mA,但这取决于一般类型,制造商和所选的特定器件.

TCXO晶体振荡器的类型

尽管通常以这种方式提及温度补偿晶体振荡器,但偶尔会使用更详细的描述.这导致了可用于提供温度补偿的各种技术.

ADTCXO：这是一个模拟数字TCXO.这种形式的TCXO晶振已广泛用于手机中.这使用模拟技术为振荡器提供温度校正.它具有以下优点：变化缓慢发生,并且没有像某些全数字类型那样经历相位跳跃.

DCXO：DCXO是一种振荡器,其中任何校正都由设备内的主处理器计算.通过这种方式,TCXO不是单独的实体,但是处理结合在整个设备的处理中.这有助于在某些情况下节省成本.

DTCXO：可能猜到,这是一个数字TCXO.它使用温度传感器,然后逻辑和数学函数使用数字电路和查找表.使用数模转换器DAC将得到的数字校正图转换为模拟信号.

MCXO：MCXO使用微处理器提供处理,以在各种情况下实现更准确的补偿.虽然性能稍好一些,但成本却高于其他形式的TCXO.

TCXO填补了未补偿晶体振荡器,xtal振荡器和全烤箱控制晶体振荡器OCXO之间的空白.通常,TCXO晶振的性能对于许多应用而言将是足够的,并且成本的一小部分,更小的轮廓和比OCXO更低的功耗.因此,TCXO对于许多电路和系统形成了非常有吸引力的选择.