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当需要标准XO(晶体振荡器)或VCXO(压控晶体振荡器)无法达到的温度稳定性时,TCXO是必需的.

温度稳定性是振荡器频率随温度变化的量度,并且以两种方式定义.一种常见的方法是使用“加/减”规格(例如：±0.28ppm对比工作温度范围,参考25°C-温度范围通常为-40至85°C或-20至70°C).该规范告诉我们,如果我们将25°C的频率设为标称频率,则器件频率将偏离或低于该标称频率不超过0.28ppm.这与指定温度稳定性的第二种方式不同,即使用峰峰值或仅使用没有参考点的正/负值.在第二种情况下,我们不能说我们知道频率会高于或低于频率将会发生多大变化-只是我们知道总的范围是多少.通常,使用来自定义的参考点的正负值来指定设备.

TCXO晶振对工程师非常有用,因为它们可以在比电路板上具有相同功耗和占用空间的标准VCXO更好的温度稳定性的10倍到40倍之间使用.TCXO弥合了标准XO或VCXO与OCXO之间的差距,这些差距更高,需要更多功率才能运行.推动技术的目标是降低功耗,当然还要降低成本,因此TCXO为功耗和成本敏感的应用提供了良好的中端解决方案.

Figure1.TheTemperatureStabilityrangesofvariousoscillatortypes

图1是不同振荡器类型的典型温度稳定性的示意图,范围从标准VCXO的50ppm到高性能OCXO的0.2ppb.轴反转使得曲线在增加温度稳定性的方向上增长.TCXO稳定性范围涵盖VCXO和OCXO之间的中间位置(在某些情况下,重叠某些OCXO性能).

TCXO晶振温度稳定性水平(从5ppm到50ppb)通常是必要的,因为振荡器将独立工作,无论是在没有外部频率参考的系统中的自由运行模式,还是作为固定频率参考TCXO在开环中工作的合成器,用于驱动DDS(直接数字合成),而DDS而不是TCXO被“锁定”到外部参考.

后一种情况(TCXO是开环,频率在DDS设置)正变得越来越普遍,因为设计人员发现使用DDS解决方案可以通过使用数模转换器控制TCXO来实现更好的频率分辨率.由于转向是在DDS而不是振荡器中完成的,因此设计人员需要能够对固定基准的频率如何随温度变化做出某些假设,以便他们可以相应地规划锁相环的设计.由于灵活性,它们允许TCXO用于许多频率控制应用,但一个重要领域是小型蜂窝基站(毫微微,微型和微微),通常它们被用作定时分配芯片的固定频率源. 

TCXO温度补偿晶振如何运作

在非常基本的术语中,TCXO通过采用温度补偿网络来操作,该网络感测环境温度并将晶体拉至其标称值.基本振荡器电路和输出级与VCXO中的预期相同.

图2是简化的TCXO功能框图.

图2.TCXO功能块

这个想法是补偿网络驱动牵引网络,然后调整振荡器的频率.

图3是发生了什么的概述-未补偿的晶振频率响应温度(红色)就像一个三阶多项式曲线(如果你采用振荡器非线性效果,更像是第五个),所以目标是补偿网络是为了抵消温度对晶体的影响而产生的电压是有效的关于晶体曲线温度轴的镜像.补偿电压显示为蓝色,得到的频率/温度曲线以绿色显示.

图3.温度补偿

实现这一目标的方法随着时间而改变.使用的第一种方法之一是直接补偿技术,其中使用热敏电阻,电容器和电阻器网络来直接控制振荡器的频率.温度的变化导致热敏电阻(图4中的RT1和RT2)发生变化,这会导致网络的等效串联电容发生变化-这反过来会改变晶体上的电容负载,从而导致频率的变化.振荡器.

图4.直接补偿

在随后的开发中(图5中所示的间接补偿),热敏电阻(RT1至RT3)和电阻(R1至R3)的网络用于产生与温度相关的电压.对网络的输出电压进行滤波,然后用于驱动变容二极管,该变容二极管改变晶振上的负载,再次导致频率变化.

图5间接补偿

目前的方法将补偿网络和拉网络集成到一个集成电路中(如图6所示),补偿网络的作用由一组运算放大器组成,这些运算放大器在一起产生温度上的3阶或5阶函数.与间接补偿方法一样,该电压用于驱动变容二极管,这反过来又改变了振荡器的输出频率.由于晶体特性的变化意味着没有“一刀切”的功能,因此在TCXO的温度测试期间得出了解决方案.两个电容器阵列用于将室温下的频率调节到标称值,然后在测试期间获得温度补偿功能所需的设置并存储在片上存储器中.

图6综合补偿

最后一种方法通常被称为“数字控制模拟补偿”,并且在小型TCXO设计中常见,因为可以在单个ASIC中提供大量功能.

在过去的几年中,娱乐,游戏和便携式市场的电子设备加速的增长推动了石英晶体和晶体振荡器的需求不断增加,甚至达到了前所未有的生产水平以及生产技术.早在十几年前,爱普生晶振的销量以及生产技术还跟不上市场的需求.比如2012晶振会无法正常出货,体积较小,生产达不到技术要求.但是随着这几年的市场需求量的增长,爱普生晶振也在不断的提升生产技术,不断的改进不足,从而使得更小尺寸1612封装晶振可以正常批量出货.

一直以来石英晶体振荡器的高Q值和稳定的温度特性,使得其在消费,商业,工业以及军事产品中起到重要的作用.自2000年至2001年”互联网”市场崩溃以来,对石英晶体以及振荡器的需求每年稳定增长4%至10%.

在早些时候,典型的GSM手机有四组不同的压电频率控制和发电组件：RF SAW滤波器（使用压电钽酸锂或铌酸锂的900 MHz至2 GHz）用于在天线和收发器芯片组之间进行传输和接收滤波;如果使用超外差降频转换,则使用SAW滤波器（主要使用石英为50至400 MHz）; TCXO（13/26 MHz,使用石英晶体）作为收发器合成器中的时钟参考,用于信道化;和音叉（使用石英晶体的32.768 kHz）用于基带部分的待机时钟.

后来,直接转换技术的成功开发在许多GSM手机中废弃了IF SAW滤波器.几年前,带有片上数字补偿晶体振荡器（DCXO）电路的GSM收发器芯片组消除了对TCXO晶振的需求.但是,仍然需要片外石英晶体.

现在的手持设备似乎没有变小,实际上它们已经变得非常小了,但是手机虽小,功能却大的多.以适应消费者多频段,多模,DSC,DVC,MP3,GPS,互联网接入,蓝牙,DTV等所需的更多功能.跟之前想法相反,随着时间的推移,需要越来越少的片外石英晶体,晶体振荡器和SAW元件,现在手机中存在着更多的石英晶体,音叉晶振,晶体振荡器,高精度温补晶振等.虽然这些组件的独特制造和封装要求使它们几乎不可能集成到成熟的硅IC平台上.

在有线和无线市场的蓬勃发展,从而使得石英晶体以及其高频SAW声表面滤波器得到广泛应用.

传统的石英晶振尺寸型号以4.1*1.5,3.2*1.5以及2.0*1.2mm提供.现在也是将这种石英音叉的厚度达到0.4毫米或者更低,从而适用于薄型产品的使用.小于5032封装石英晶振通常需要在真空中密封从而维持阻抗完整性.低兆赫兹小尺寸石英晶振的坏料也需要倾斜于石英晶体边缘,其变薄.从而有效的获得能量.在未来的几年内将出现更小尺寸的石英晶体(1.6*1.0以及1.0*0.8mm)晶振的使用.全球石英晶体供应商正在为这些小尺寸晶振工作.

很多人都不知道相当多的石英产品(石英晶体,石英音叉晶体,石英陀螺传感器等)正在制造一些MEMS(微机电系统)处理.如光刻,金属化,蚀刻,牺牲层沉积去除,金蚀刻保护等.实际上,复杂的加工步骤非平面金属化方案.由于石英晶体的硬度而耐蚀刻,高度各向异性的石英晶体的不同蚀刻速率等,使得小型化的石英晶体产品的加工更加技术上与许多基于硅的MEMS工艺相比具有挑战性.Epson Toyocom几年前创造了“QMEMS”这一术语,以认识到将石英和MEMS技术与下一代石英晶体器件联系起来的重要性.

TranskoCrystal晶振公司是一家位于加利福尼亚洲内阿纳海姆的频率元器件制造公司.主要以振荡器模块为主要生产目标.从最初的石英晶体谐振器制作到引进高端TCXO晶振及VCXO晶振的生产设备.1993年在美国的加利福尼亚州拉古纳山开设制造工厂.以下是Transko晶振石英晶体系列型号说明.

图片	型号	符合RoHS	规格封装	频率偏差	频率
	CS12	合规	1.2 X 1.0陶瓷 4 PAD SMD	±7ppm /±10ppm	36.000MHz~80.000MHz
	CS1610	合规	1.6 X 1.0陶瓷 2 PAD SMD	±20ppm	32.768kHz
	CS16	合规	1.6 X 1.25陶瓷 4 PAD SMD	±10ppm /±5ppm	24.000MHz~60.000MHz
	CS2012	合规	2.0 X 1.2陶瓷 2 PAD SMD	±10ppm /±20ppm /±50ppm	32.768kHz
	CS21	合规	2.0 X 1.6陶瓷 4 PAD SMD	±10ppm /±5ppm	16.000MHz~60.000MHz
	CS22	合规	2.5 X 2.0陶瓷 4 PAD SMD	±10ppm /±5ppm	12.000MHz~80.000MHz
	CS31	合规	3.2 X 1.5陶瓷 2 PAD SMD	±10ppm	32.768kHz
	CS32	合规	3.2 X 2.5陶瓷 4 PAD SMD	±10ppm /±5ppm	10.000MHz~156.250MHz
	CS32H	合规	3.2 X 2.5陶瓷 4 PAD SMD	±10ppm /±20ppm	20.000MHz~300.000MHz
	CS41	合规	4.1 X 1.5陶瓷 2 PAD SMD	±10ppm	32.768kHz
	CS42	合规	4.0 X 2.5陶瓷 4 PAD SMD	±10ppm /±10ppm	12.000MHz~50.000MHz
	CS52	合规	4.9 X 1.8陶瓷 2 PAD SMD	±10ppm	32.768kHz
	CS53A	合规	5.0 X 3.2陶瓷 4 PAD SMD	±10ppm /±5ppm	7.3728MHz~270.000MHz
	CS53B	合规	5.0 X 3.2陶瓷 2 PAD SMD	±10ppm /±10ppm	7.3728MHz~156.250MHz
	CS63A	合规	6.0 X 3.5陶瓷 4 PAD SMD	±10ppm /±5ppm	7.000MHz~200.000MHz
	CS63B	合规	6.0 X 3.5陶瓷 2 PAD SMD	±10ppm /±10ppm	7.000MHz~200.000MHz
	CS63C	合规	6.0 X 3.5陶瓷 2 PAD SMD	±10ppm /±10ppm	7.000MHz~200.000MHz
	CS71	合规	7.0 X 1.5塑料 4 PAD SMD	±20ppm	32.768kHz
	CS75	合规	7.0 X 5.0陶瓷 4 PAD SMD	±10ppm /±10ppm	6.000MHz~160.000MHz
	CS83	合规	8.0 X 3.7塑料 4 PAD SMD	±20ppm	32.768kHz
	CS84	合规	8.0 X 4.5陶瓷 2 PAD SMD	±10ppm /±10ppm	8.000MHz~80.000MHz
	TS-SMD	合规	12.5 X 4.6塑料 4 PAD SMD	±15ppm /±20ppm	3.579MHz~70.000MHz
	SMTF	合规	5.2 X 1.4 SMD贴片晶振	±20ppm	30.000kHz~200.000kHz
	HC49 / SMD	合规	薄型 模压SMD基座  2 PAD SMD	±10ppm /±20ppm	3.000MHz~150.000MHz
	UM / SMD	合规	薄型 模压SMD基座 2 PAD SMD	±10ppm /±20ppm	4.000MHz~40.000MHz
	HC49 / SMD4	合规	薄型 模压SMD基座 4 PAD SMD	±5ppm /±10ppm	3.500MHz~100.000MHz
	HC49 / S	合规	薄型 2针通孔	±10ppm /±10ppm	3.000MHz~150.000MHz
	HC49 / U	合规	2针通孔	±5ppm /±5ppm	1.800MHz~176.000MHz
	UM-1	合规	2针通孔 微型	±5ppm /±5ppm	4.000MHz~200.000MHz
	1 X 5	合规	1.5 X 5.1 圆柱音叉	±20ppm	32.768kHz
	2 X 6	合规	2.0 X 6.3 圆柱音叉	±20ppm	32.768kHz（STD） （30kHz~360kHz可用）
	2 X 6SMD	合规	2.0 X 6.3圆柱形 SMD	±20ppm	30kHz~360kHz
	3 X 8	合规	3.1 X 8.3 圆柱音叉	±20ppm	32.768kHz（STD） （30kHz~360kHz可用）
	3 X 9	合规	3.1 X 9.3 圆柱音叉	±15ppm /±20ppm	4.000MHz~50.000MHz

TranskoCrystal is a frequency component manufacturing company located in Anaheim, California. It mainly uses oscillator modules as the main production target. From the initial production of quartz crystal resonators to the introduction of high-end TCXO crystal and VCXOCRYSTAL oscillator production equipment. In 1993, we opened a manufacturing plant in Laguna Hills, California, USA. The following is a description of the Transko crystal quartz crystal series.

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很多客户都会经常在问温补晶振也是属于有源晶振的一种,那为什么会和石英晶体振荡器会有着天大的区别呢,一个在天上,一个在地下.温补晶振与普通的石英晶体振荡器的不同就是温补晶振的精度会比石英晶体振荡器的性能要更高,稳定性会更强.对于晶振频率来说,温补晶振可以起到一个温度补偿的作用.温补晶振也称TCXO晶振,传统的TCXO晶振提通过采用模拟器件进行温度补偿,通过改变振荡回路中的 负载电容等模拟器件让其随着温度变化来补偿晶体谐振器由于环境温度变化所生产的频率漂移.