高可靠性COTS石英晶體振蕩器

石英晶體振蕩器的特點(diǎn)是在很寬的溫度范圍內(nèi)頻率變化相對較小,頻率隨溫度的變化通常以PPM/攝氏度表示,通過調(diào)整切角,晶體設(shè)計(jì)工程師可以為應(yīng)用選擇所需的溫度系數(shù),磨損和測量精度引起的公差相關(guān)的固有問題,影響晶體溫度穩(wěn)定性隨溫度變化的其他項(xiàng)目是驅(qū)動(dòng)水平,石英板幾何形狀,相對于安裝結(jié)構(gòu)的定向以及與安裝結(jié)構(gòu)的接口.

在為現(xiàn)代電子應(yīng)用選擇低噪聲振蕩器時(shí),通常會(huì)有工程師由于相對較低的單位,熱衷于選擇便宜的COTS(商業(yè)現(xiàn)貨)零件成本和交貨時(shí)間,從表面上看,此選項(xiàng)似乎適用于許多應(yīng)用程序和最近許多程序試圖使用這些產(chǎn)品代替高可靠性選項(xiàng),導(dǎo)致性能不佳,高可靠性振蕩器是最安全的并且最終是飛行應(yīng)用的最具成本效益的選擇.

商用振蕩器之間存在著無數(shù)的明顯差異,這是最簡單的從表現(xiàn)開始,對于計(jì)時(shí)和精密應(yīng)用的電氣性能,以及相位噪聲和抖動(dòng)特性,可以顯著改變電路的輸出,振蕩器的相位噪聲和抖動(dòng)經(jīng)常導(dǎo)致錯(cuò)誤的相位檢測當(dāng)使用相移鍵控(PSK)數(shù)字調(diào)制時(shí),轉(zhuǎn)換(即比特錯(cuò)誤),數(shù)字化例如,在使用8相PSK的通信中,最大相位容差為±22.5°,其中±7.5°是典型的允許載波噪聲貢獻(xiàn),例如,由于相位偏差的統(tǒng)計(jì)性質(zhì),如果存在1.5°相位偏差超過的概率±7.5°相位偏差為6X10-7,這可能導(dǎo)致誤碼率在許多情況下顯著應(yīng)用.

較小化相位噪聲和抖動(dòng)在現(xiàn)代中變得越來越重要電路應(yīng)用,對于振蕩器而言,相位噪聲和抖動(dòng)在很大程度上取決于石英晶體及其在振蕩器內(nèi)的設(shè)計(jì)和組裝,因?yàn)闆_擊和振動(dòng)可以產(chǎn)生即使在"低噪聲"振蕩器中也存在大的相位偏差,當(dāng)一個(gè)頻率振蕩器乘以N,相位偏差也乘以N.例如,相位偏差為10-310MHz時(shí)的弧度在10GHz時(shí)變?yōu)?弧度,這種大相位偏移可以對系統(tǒng)的性能是災(zāi)難性的,例如那些依賴于鎖相環(huán)的系統(tǒng)(PLL)或相移鍵控(PSK),低噪聲,加速度不敏感的振蕩器是必不可少的這樣的應(yīng)用.

苛刻環(huán)境是有源晶體振蕩器的安全選擇,因?yàn)樗鼈兪菫檫@些環(huán)境設(shè)計(jì),構(gòu)造和測試,目的是制造100％可靠的產(chǎn)品適用于故障昂貴或危及生命的情況,振蕩器是設(shè)計(jì)工作溫度范圍為-55°C至+125°C,從石英晶體元件開始包括電路,從石英棒切割晶體的角度進(jìn)行了優(yōu)化確切的溫度范圍,而COTS時(shí)鐘可以在-55°C下工作,如果它們打開的話在室溫下隨后冷卻至-55℃,已知它們存在問題在-55°C或其他低溫下開啟時(shí)啟動(dòng)(冷啟動(dòng)問題).

由于物理定律的存在,存在局限性,在非常寬的溫度變化下通常不可能存在窄頻率偏差,降低頻率偏差和加寬工作溫度范圍是石英晶體諧振器的主要成本驅(qū)動(dòng)因素,偏差和溫度范圍可以相互排斥,即使看起來存在將產(chǎn)生期望溫度系數(shù)的切角,與切角相關(guān)的有限公差將使得諧振器的制造由于溫度穩(wěn)定性兼容諧振器的低產(chǎn)率而不實(shí)用.