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解锁精度探索TCXO技术的进步

来源：http://www.yijindz.com 作者：亿金电子 2024年11月06

温度补偿晶振 （TCXO）是一种在其振荡回路中具有温度敏感电抗电路的晶体振荡器。在振荡回路中具有温度敏感电抗电路的重要性使 TCXO 能够补偿晶体固有的温度特性范围内的频率误差。当需要标准振荡器（XO）或压控振荡器（VCXO）无法达到的温度稳定性水平时，TCXO 就是必需的。

一、TCXO 在电子系统中的作用

TCXO 用于许多电子系统，包括无线通信系统、手机、基站、电信、GPS 定位、汽车导航、计量和许多其他应用。TCXO 在其振荡回路中有一个温度敏感的电抗电路，以补偿晶体单元的频率-温度特性。这使得振荡器组件能够在指定的温度范围内提供非常稳定和准确的干净稳定的输出频率。

特征：

1.高频稳定性

2.低相位噪声 + 抖动
3.电压控制

4.低功耗

5.外形小巧

应用：

1.射频通信

2.电信

3.联网

4.物联网

5.智能电表

6.工业

7.医疗

二、温度补偿在晶体振荡器中的重要性

温度补偿是一种校准系统性能以补偿温度变化影响的方法。它可以显着减少由温度波动对石英晶体引起的频率漂移量。它通过施加控制电压来调整输出频率来实现这一点。温度反馈通过 NTC 热敏电阻提供，它告诉 ASIC 要向控制电压增加多少补偿。通过持续监控和更新输出频率，TCXO 可以保持非常低的 PPM 甚至 PPB 稳定性。

三、旧 TCXO 的限制

早期的 TCXO 为电路世界带来了有利的优势，然而，TCXO 的早期概念也受到了严格的限制。当使用分立组件进行构建时，您会有更多的 slop，这也称为“公差堆叠”。公差堆叠是电路设计中所有单个元件公差或其装配的累积。每个组件都有自己的额定精度，您使用的零件越多，出现频率误差的可能性就越高。尽管在定义容差和精度方面存在困难，但在振荡器中引入模拟补偿网络带来了电气设计的好处。TCXO 的一个意想不到的好处是，由于其分立设计，它能够实现远距离通信。该设计提供了频率调整作为模拟补偿（我们将在前面的段落中更深入地讨论），但仍有需要改进的地方。

这方面的一个例子是频率稳定性，虽然稳定性性能有了很大提高，但当设计在不同的温度条件下时仍然存在挑战。事实证明，功耗是另一个需要改进的领域。组件数量的增加意味着将有更多的电力消耗，这对早期的航海家来说很困难，因为在航行时很难产生动力。

四、现代 TCXO 技术

工程师和发明家继续寻找优化和发展频率组件的方法。当今的现代 TCXO 设计融合了广泛的新技术，可解决性能优化的许多领域。先进材料、制造技术和电路架构的引入极大地提高了频率稳定性，降低了相位噪声、抖动，并增强了当今 TCXO 的整体性能。使用现代制造工艺生产高质量的 AT 切割石英晶体坯料，使现代 TCXO 能够实现分层级稳定性。基于 ASIC 的现代 TCXO 的意外后果之一是从模拟补偿到数字补偿的转变。基于 ASIC 的 TCXO 纯粹是一个数字处理电路，它由一个非连续的电信号组成。从根本上说， TCXO 的功能是相同的，只是补偿的应用方式不同。当温度变化达到补偿阈值时，数字补偿会施加一个突然的电压，立即将频率移回中心频率。这些突然的频率校正称为微跳跃。频率的突然变化会使具有敏感频率标准的电路难以保持功能。我们可以大大减少微跳转的方法之一是使用伪模拟补偿。使用模拟补偿时，有一个连续的电信号，这会导致连续的温度变化。通过回转或抑制补偿率，您可以最大限度地减少频率的突然变化。Micro-jumps 可能会对使用 TCXO 作为其 clock的敏感处理和 PLL 电路造成问题。微跳转的负面影响可能是 PLL 电路的数据丢失或失锁。

接下来，我们将看一个绘图图，该图显示了数字补偿与模拟补偿在温度范围内的影响。这将直观地显示我们之前讨论的数字补偿中的频率跳跃或微跳跃。视觉效果很好地描述了模拟补偿在稳定频率和减轻微跳跃方面的积极影响。下面的蓝色数字图清楚地显示了应用数字校正时出现的显著频率跳跃。micro-jumps 足够大，足以导致依赖于此 clock的敏感电子设备出现问题。绿色模拟图显示了更线性的补偿，几乎没有微跳转。

五、温度补偿技术

TCXO 在芯片中内置了一个温度传感器，用于监控温度并自校准以校正频率输出。此过程有助于提供稳定的输出频率，确保无缝的用户体验。TCXO 可以在特定温度范围内补偿到特定的频率稳定性。例如，TCXO 可以补偿到低于百万分之 1 （ppm）的工业工作温度范围为 -40°C 至 +85°C。TCXO 为依赖稳定频率输出的设计带来精确定时。温度补偿振荡器非常适合用于稳定的时钟，如 Stratum、GPS、RF、家庭基站和移动连接应用。接下来，我们将看一个图表，该图表将直观地显示 TCXO 的工作原理。我们将查看未补偿和未补偿的频率图。图中包括显示 TCXO 随温度变化的补偿频率的绘图数据。如果我们看一下下图，我们就会看到温度补偿在实践中是什么样的。蓝线表示所需的基本频率。红线表示标准振荡器的频率随温度变化。当我们沿着温度范围移动时，我们可以看到沿红线的频率发生了显着变化。黑色虚线表示施加到控制电压输入的补偿。

如您所见，它施加的反向信号几乎与温度变化引起的误差完全匹配。绿线表示红线和虚线的总和。如您所见，绿线的稳定性要低得多，只有很小的频率漂移。同样的原理也用于噪声和稳定性精度至关重要的各种终端应用，例如降噪耳机。

六、未来趋势和展望

随着硅设计和石英晶体技术的改进。我们可以期待 TCXO 功能的许多进一步改进，这将提高整体性能和电流消耗。标准 TCXO 在温度范围内的稳定性约为 ±2.5 ppm，稳定性为 ±50 ppb。随着技术的进步，我们可以预期更高级别的稳定性需求将会增加。考虑到未来的技术需求，ECS Inc. 发布了 Stratum 3E，它提供 ±4.6 ppm 的自由运行稳定性，包括在 24 小时内保持 ±0.012 ppm。

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