高精度微小型Greenray溫補(bǔ)晶振的設(shè)計(jì)技術(shù)
來源：http://www.kaikei-kansa.com 作者：金洛鑫電子 2019年07月23
美國(guó)Greenray Industries,Inc.公司是專業(yè)的TCXO晶振設(shè)計(jì),開發(fā),生產(chǎn)和銷售為一體的企業(yè),每一款產(chǎn)品都具有獨(dú)特的”個(gè)性”,Greenray晶振公司自主研發(fā)的溫補(bǔ)晶振不僅體積小,而且精度非常高,部分料號(hào)甚至可以達(dá)到±0.1ppm,電源電壓一般不超過+3.3V,應(yīng)用產(chǎn)品范圍廣泛,制造中的每一個(gè)環(huán)節(jié),都實(shí)行嚴(yán)格的管理,力求每一顆都達(dá)到近乎完美,部分具有低相位噪聲,高穩(wěn)定性,低G靈敏度等優(yōu)良特性.
自從使用石英晶體作為頻率控制裝置以來,一直在尋求改善其溫度穩(wěn)定性.在簡(jiǎn)要回顧了石英晶體振蕩器溫度補(bǔ)償?shù)臍v史后,本文將介紹TCXO溫度補(bǔ)償技術(shù)及相關(guān)晶體諧振器的最新技術(shù).當(dāng)?shù)谝粋€(gè)晶體振蕩器建于20世紀(jì)20年代時(shí),唯一可用的晶體,如X切割,表現(xiàn)出較差的溫度性能.AT切割晶體的發(fā)展是使溫度補(bǔ)償可行的重要一步.AT切割提供了相對(duì)平坦的頻率與溫度曲線,以+25°C為中心.直到20世紀(jì)40年代中期,晶體的老化和溫度特性還不足以使精確校正變得可行.泄漏的封裝導(dǎo)致老化漂移不良,晶體板和晶圓設(shè)計(jì)的缺陷導(dǎo)致晶體具有嚴(yán)重的活動(dòng)下降和耦合模式.這產(chǎn)生了顯著的頻率擾動(dòng),限制了任何補(bǔ)償嘗試的有效性.但是,石英板設(shè)計(jì)和晶體封裝(如冷焊接頭)的進(jìn)步使得生產(chǎn)具有相對(duì)平滑的頻率與溫度曲線的晶體成為可能,并且老化速率低至每個(gè)1x10-9(或1x10-3ppm)天.
■熱敏電阻/電阻網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償
熱敏電阻/電阻TCXO已成為晶體振蕩器溫度補(bǔ)償?shù)闹饕е?已有50年歷史.由一個(gè)或多個(gè)熱敏電阻的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的校正電壓抵消了電壓控制的壓控晶體振蕩器的頻率與溫度的變化.電壓可變電容變?nèi)荻O管的引入以及負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的改進(jìn)使得可以更精確地補(bǔ)償晶體.早在1961年,補(bǔ)償比率就超過了100比1.這表明在整個(gè)溫度范圍內(nèi)峰峰值偏差為40ppm的晶體可以補(bǔ)償?shù)?.4ppm的水平.今天,兩個(gè)數(shù)量級(jí)的比率大約是熱敏電阻/電阻補(bǔ)償?shù)臉O限,盡管通過改進(jìn)的自動(dòng)化系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)分析能力來實(shí)現(xiàn)這一水平.但即使在今天,實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.5ppm的穩(wěn)定性也需要多次溫度運(yùn)行并使用至少三個(gè)熱敏電阻重復(fù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)整.使用電阻器微調(diào)或熱敏電阻靈敏度的數(shù)字調(diào)整來自動(dòng)補(bǔ)償過程的一些嘗試已經(jīng)取得了一定的成功,但這些配置無法輕松集成以滿足小封裝尺寸要求.
■數(shù)字溫度補(bǔ)償
到20世紀(jì)70年代后期,集成電路技術(shù)的進(jìn)步使得實(shí)現(xiàn)采用模數(shù)轉(zhuǎn)換和固態(tài)存儲(chǔ)器的補(bǔ)償系統(tǒng)變得切實(shí)可行.盡管按照今天的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施這些實(shí)施方案,但數(shù)字TCXO的性能優(yōu)于0.1ppm,是由Rockwell Collins和Greenray Industries等多家晶振廠家生產(chǎn)的.多年來已經(jīng)開發(fā)出其他數(shù)字實(shí)現(xiàn),其中許多具有嵌入式計(jì)算能力以促進(jìn)校準(zhǔn)和系統(tǒng)操作.一些采用精細(xì)的溫度測(cè)量方案,如雙模晶體自身溫度傳感.盡管這些設(shè)計(jì)中的一些實(shí)現(xiàn)了0.05ppm或更高的溫度穩(wěn)定性,但它們是更大且相對(duì)復(fù)雜的組件,通常具有寄生噪聲產(chǎn)生問題.
■模擬集成
隨著大規(guī)模集成的能力不斷擴(kuò)大,可以將溫度補(bǔ)償所需的更多功能納入單個(gè)IC.這導(dǎo)致了當(dāng)前的ASIC產(chǎn)品,只需兩個(gè)組件即可構(gòu)建精密模擬TCXO:ASIC和石英晶振.為TCXO應(yīng)用而出現(xiàn)的最新器件是復(fù)雜的大規(guī)模集成了精密模擬功能的IC,非易失性數(shù)字存儲(chǔ),變?nèi)荻O管和RF振蕩器電路.圖2示出了通用設(shè)備的框圖.雖然第一代制造產(chǎn)生了相對(duì)較大的芯片,但幾何尺寸的減小產(chǎn)生了更小的IC,使得完整精密的TCXO能夠安裝在小至3.2mmx5mm的封裝中.
■多項(xiàng)式函數(shù)發(fā)生器
ASIC的核心是多項(xiàng)式函數(shù)發(fā)生器引擎.目標(biāo)是產(chǎn)生一個(gè)溫度變化的電壓,該電壓與VCXO電壓相匹配,以保持振蕩器頻率在整個(gè)溫度范圍內(nèi)精確地保持標(biāo)稱值.從線性溫度傳感器開始,然后使用一系列模擬乘法,模擬高階多項(xiàng)式的系數(shù).此功能描述為:
其中a0到a5是要生成的多項(xiàng)式的系數(shù),T是當(dāng)前溫度,Ti是晶體的拐點(diǎn)溫度(晶體曲線相對(duì)于下轉(zhuǎn)折點(diǎn)和上轉(zhuǎn)折點(diǎn)居中的溫度,通常在+左右)26°C).校準(zhǔn)變量的調(diào)整范圍以覆蓋AT切割的晶體角度隨溫度的變化.所有溫度均參考晶體拐點(diǎn)溫度.系數(shù)值作為數(shù)字存儲(chǔ)在芯片上的非易失性寄存器中.雖然理想的AT諧振器應(yīng)遵循三階曲線,但電路和晶體中的非線性要求包含更高階項(xiàng),以便獲得與所需補(bǔ)償電壓曲線的匹配.晶體彎曲溫度對(duì)于匹配曲線很重要,并且是必須可編程的變量之一,以便使用更寬范圍的晶體.一些微型帶狀晶體可能具有高達(dá)40°C的彎曲,這使得精確的曲線擬合變得困難.
■集成振蕩器功能
除了函數(shù)發(fā)生器之外,所有其他振蕩器功能都包含在最新的芯片中.精密低壓差(LDO)穩(wěn)壓器為所有片內(nèi)電路供電.由于必須保持穩(wěn)定的電壓以實(shí)現(xiàn)所需的頻率穩(wěn)定性,因此必須使用精確的參考電壓源.可以低至+2.7Vdc的操作.晶體振蕩器驅(qū)動(dòng)電路采用片內(nèi)可編程晶體驅(qū)動(dòng)電流,以適應(yīng)各種晶體阻抗和頻率.調(diào)節(jié)振蕩器頻率的電壓可變電容器通常實(shí)現(xiàn)為MOS結(jié)構(gòu)而不是傳統(tǒng)的摻雜結(jié)型二極管.由于器件的低電壓操作,需要相對(duì)高的調(diào)諧靈敏度,并且可能超過50ppm/V.
圖2.集成的TCXOASIC.
輸出調(diào)節(jié)電路緩沖來自負(fù)載的晶體和振蕩器,并提供適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷弘娖?大多數(shù)ASIC可以提供CMOS方波或低功率1Vpk-pk限幅正弦波.可以使用用于實(shí)現(xiàn)VCXO功能的電子頻率控制.幾個(gè)字節(jié)的非專用用戶存儲(chǔ)器可用于存儲(chǔ)序列號(hào)和其他特征數(shù)據(jù),以提高自動(dòng)化程度.
■精密AT晶體
如果是這樣的話,沒有高質(zhì)量的晶體就不可能生產(chǎn)出精密的TCXO溫補(bǔ)晶振.雖然在傳統(tǒng)的雙引線焊接封裝中仍然可以生產(chǎn)出良好的晶體作為圓形坯料,但是它們的尺寸使它們無法用于許多微型振蕩器設(shè)計(jì)中.這導(dǎo)致了AT條形晶體設(shè)計(jì)的發(fā)展,在小外形尺寸方面具有優(yōu)異的性能.盡管運(yùn)動(dòng)電容較低,但是可以實(shí)現(xiàn)足夠的調(diào)諧靈敏度以進(jìn)行補(bǔ)償.通過適當(dāng)?shù)目瞻自O(shè)計(jì),包裝和精心加工,可以實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)圓形晶體相當(dāng)或甚至更好的性能.老化率可以很低,每年達(dá)到ppm的一小部分.
自從使用石英晶體作為頻率控制裝置以來,一直在尋求改善其溫度穩(wěn)定性.在簡(jiǎn)要回顧了石英晶體振蕩器溫度補(bǔ)償?shù)臍v史后,本文將介紹TCXO溫度補(bǔ)償技術(shù)及相關(guān)晶體諧振器的最新技術(shù).當(dāng)?shù)谝粋€(gè)晶體振蕩器建于20世紀(jì)20年代時(shí),唯一可用的晶體,如X切割,表現(xiàn)出較差的溫度性能.AT切割晶體的發(fā)展是使溫度補(bǔ)償可行的重要一步.AT切割提供了相對(duì)平坦的頻率與溫度曲線,以+25°C為中心.直到20世紀(jì)40年代中期,晶體的老化和溫度特性還不足以使精確校正變得可行.泄漏的封裝導(dǎo)致老化漂移不良,晶體板和晶圓設(shè)計(jì)的缺陷導(dǎo)致晶體具有嚴(yán)重的活動(dòng)下降和耦合模式.這產(chǎn)生了顯著的頻率擾動(dòng),限制了任何補(bǔ)償嘗試的有效性.但是,石英板設(shè)計(jì)和晶體封裝(如冷焊接頭)的進(jìn)步使得生產(chǎn)具有相對(duì)平滑的頻率與溫度曲線的晶體成為可能,并且老化速率低至每個(gè)1x10-9(或1x10-3ppm)天.
■熱敏電阻/電阻網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償
熱敏電阻/電阻TCXO已成為晶體振蕩器溫度補(bǔ)償?shù)闹饕е?已有50年歷史.由一個(gè)或多個(gè)熱敏電阻的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的校正電壓抵消了電壓控制的壓控晶體振蕩器的頻率與溫度的變化.電壓可變電容變?nèi)荻O管的引入以及負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的改進(jìn)使得可以更精確地補(bǔ)償晶體.早在1961年,補(bǔ)償比率就超過了100比1.這表明在整個(gè)溫度范圍內(nèi)峰峰值偏差為40ppm的晶體可以補(bǔ)償?shù)?.4ppm的水平.今天,兩個(gè)數(shù)量級(jí)的比率大約是熱敏電阻/電阻補(bǔ)償?shù)臉O限,盡管通過改進(jìn)的自動(dòng)化系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)分析能力來實(shí)現(xiàn)這一水平.但即使在今天,實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.5ppm的穩(wěn)定性也需要多次溫度運(yùn)行并使用至少三個(gè)熱敏電阻重復(fù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)整.使用電阻器微調(diào)或熱敏電阻靈敏度的數(shù)字調(diào)整來自動(dòng)補(bǔ)償過程的一些嘗試已經(jīng)取得了一定的成功,但這些配置無法輕松集成以滿足小封裝尺寸要求.
到20世紀(jì)70年代后期,集成電路技術(shù)的進(jìn)步使得實(shí)現(xiàn)采用模數(shù)轉(zhuǎn)換和固態(tài)存儲(chǔ)器的補(bǔ)償系統(tǒng)變得切實(shí)可行.盡管按照今天的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施這些實(shí)施方案,但數(shù)字TCXO的性能優(yōu)于0.1ppm,是由Rockwell Collins和Greenray Industries等多家晶振廠家生產(chǎn)的.多年來已經(jīng)開發(fā)出其他數(shù)字實(shí)現(xiàn),其中許多具有嵌入式計(jì)算能力以促進(jìn)校準(zhǔn)和系統(tǒng)操作.一些采用精細(xì)的溫度測(cè)量方案,如雙模晶體自身溫度傳感.盡管這些設(shè)計(jì)中的一些實(shí)現(xiàn)了0.05ppm或更高的溫度穩(wěn)定性,但它們是更大且相對(duì)復(fù)雜的組件,通常具有寄生噪聲產(chǎn)生問題.
■模擬集成
隨著大規(guī)模集成的能力不斷擴(kuò)大,可以將溫度補(bǔ)償所需的更多功能納入單個(gè)IC.這導(dǎo)致了當(dāng)前的ASIC產(chǎn)品,只需兩個(gè)組件即可構(gòu)建精密模擬TCXO:ASIC和石英晶振.為TCXO應(yīng)用而出現(xiàn)的最新器件是復(fù)雜的大規(guī)模集成了精密模擬功能的IC,非易失性數(shù)字存儲(chǔ),變?nèi)荻O管和RF振蕩器電路.圖2示出了通用設(shè)備的框圖.雖然第一代制造產(chǎn)生了相對(duì)較大的芯片,但幾何尺寸的減小產(chǎn)生了更小的IC,使得完整精密的TCXO能夠安裝在小至3.2mmx5mm的封裝中.
■多項(xiàng)式函數(shù)發(fā)生器
ASIC的核心是多項(xiàng)式函數(shù)發(fā)生器引擎.目標(biāo)是產(chǎn)生一個(gè)溫度變化的電壓,該電壓與VCXO電壓相匹配,以保持振蕩器頻率在整個(gè)溫度范圍內(nèi)精確地保持標(biāo)稱值.從線性溫度傳感器開始,然后使用一系列模擬乘法,模擬高階多項(xiàng)式的系數(shù).此功能描述為:
其中a0到a5是要生成的多項(xiàng)式的系數(shù),T是當(dāng)前溫度,Ti是晶體的拐點(diǎn)溫度(晶體曲線相對(duì)于下轉(zhuǎn)折點(diǎn)和上轉(zhuǎn)折點(diǎn)居中的溫度,通常在+左右)26°C).校準(zhǔn)變量的調(diào)整范圍以覆蓋AT切割的晶體角度隨溫度的變化.所有溫度均參考晶體拐點(diǎn)溫度.系數(shù)值作為數(shù)字存儲(chǔ)在芯片上的非易失性寄存器中.雖然理想的AT諧振器應(yīng)遵循三階曲線,但電路和晶體中的非線性要求包含更高階項(xiàng),以便獲得與所需補(bǔ)償電壓曲線的匹配.晶體彎曲溫度對(duì)于匹配曲線很重要,并且是必須可編程的變量之一,以便使用更寬范圍的晶體.一些微型帶狀晶體可能具有高達(dá)40°C的彎曲,這使得精確的曲線擬合變得困難.
■集成振蕩器功能
除了函數(shù)發(fā)生器之外,所有其他振蕩器功能都包含在最新的芯片中.精密低壓差(LDO)穩(wěn)壓器為所有片內(nèi)電路供電.由于必須保持穩(wěn)定的電壓以實(shí)現(xiàn)所需的頻率穩(wěn)定性,因此必須使用精確的參考電壓源.可以低至+2.7Vdc的操作.晶體振蕩器驅(qū)動(dòng)電路采用片內(nèi)可編程晶體驅(qū)動(dòng)電流,以適應(yīng)各種晶體阻抗和頻率.調(diào)節(jié)振蕩器頻率的電壓可變電容器通常實(shí)現(xiàn)為MOS結(jié)構(gòu)而不是傳統(tǒng)的摻雜結(jié)型二極管.由于器件的低電壓操作,需要相對(duì)高的調(diào)諧靈敏度,并且可能超過50ppm/V.
輸出調(diào)節(jié)電路緩沖來自負(fù)載的晶體和振蕩器,并提供適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷弘娖?大多數(shù)ASIC可以提供CMOS方波或低功率1Vpk-pk限幅正弦波.可以使用用于實(shí)現(xiàn)VCXO功能的電子頻率控制.幾個(gè)字節(jié)的非專用用戶存儲(chǔ)器可用于存儲(chǔ)序列號(hào)和其他特征數(shù)據(jù),以提高自動(dòng)化程度.
■精密AT晶體
如果是這樣的話,沒有高質(zhì)量的晶體就不可能生產(chǎn)出精密的TCXO溫補(bǔ)晶振.雖然在傳統(tǒng)的雙引線焊接封裝中仍然可以生產(chǎn)出良好的晶體作為圓形坯料,但是它們的尺寸使它們無法用于許多微型振蕩器設(shè)計(jì)中.這導(dǎo)致了AT條形晶體設(shè)計(jì)的發(fā)展,在小外形尺寸方面具有優(yōu)異的性能.盡管運(yùn)動(dòng)電容較低,但是可以實(shí)現(xiàn)足夠的調(diào)諧靈敏度以進(jìn)行補(bǔ)償.通過適當(dāng)?shù)目瞻自O(shè)計(jì),包裝和精心加工,可以實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)圓形晶體相當(dāng)或甚至更好的性能.老化率可以很低,每年達(dá)到ppm的一小部分.
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