如何为通信设备选择温度补偿晶体振荡器?

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如何为通信设备选择温度补偿晶体振荡器?

在产品需求、频率容差、温度范围、噪声和成本诸要素之间获得艰难的平衡
C-MAC MicroTechnology企业MEL BERMAN

　　温度补偿晶体振荡器（TCXO）是一种用途十分广泛的电子元器件，从大家身边的移动电话到遨游太空的人造卫星，无处不见它的身影。晶体振荡器通常分为4类，分别是TCXO、温度控制晶体振荡器（OCXO）、电压控制晶体振荡器（VCXO）和简单封装晶体振荡器（SPXO或简称XO），不过，各类型的特点并不显著，不少特性甚至还互相交叉。相互关联的性能指标常常让人们在选型阶段就已头昏脑胀，后续的性价比评估更是无从下手。


归纳基本需求
　　首先要确定的是目标产品的基本需求，这些需求往往是具体而明确的。基本需求包括输出频率、输出波形（正弦波还是方波？采用什么信号电平？是HCMOS、CMOS，还是TTL或ECL？）、电源电压、外形尺寸、封装形式及有关装配要求。

　　其次要使振荡器的“整体性能”趋于平衡、合理，这就需要权衡诸如稳定度、工作温度范围、晶体老化效应、相位噪声、成本等多方面因素，这里的成本不仅仅包含器件的价格，而且包含产品全寿命的使用成本。

　　举个简单的例子，普通振荡器虽然价格低廉，但是很可能用不了多久就要更换，而且在产品全寿命期内可能需要更换多次；耐用的振荡器价格虽然比较高，但是在产品全寿命期内不需要更换，从总体上看可能更为经济。此外，器件选型时一般都要留出一些余量，以保证产品的可靠性。选用较高档的器件可以进一步降低失效概率，带来潜在的效益，这一点在比较产品价格的时候也要考虑到。


确定振荡器的“整体性能”
　　从根本上来讲，描述振荡器的稳定度有两种方式，最简单的办法就是根据各种可能发生的情况，绘制一幅频率容差的图线。频率容差就是输出频率在各种工作条件下的变化范围。图线绘制完成后，就可以交给振荡器厂商生产。另外一种方法就是规定工作温度范围和使用寿命。

　　目前，主要振荡器厂商大都按照上述第一种方式供货，因为这种方式比较容易定量和标准化。不过对于用户而言，很可能会出现盲目追求高性能、杀鸡用牛刀的情况。


整个工作温度范围的稳定度
　　过去一段时期以来，工作温度范围这项指标一直都用商业级（0～70℃）、工业级（-40～+85℃）和军品级（-55～ +125℃）来表示。最近，这一情况发生了变化，原因是实现温度补偿越来越困难。

　　在稳定性水平不变的前提下，工作温度在商业级范围之外每上升或下降 5℃，单个振荡器的成本就要增加5%～10%。按照这个标准，如果不用商业级器件而换用工业级器件，成本会上升70%～150%。实际上，工业级标准规定的-40～+85℃这个范围往往只是出于设计者们的习惯，倘若-30～+80℃已经够用，那么就不必去追求更宽的温度范围。

　　翻开很多电子元器件的工业标准都可以发现，工作温度范围常常是根据某个特定的地理区域制定的。厂商们因此面临两个选择：要么生产工作温度范围尽可能宽的通用产品，占领尽可能大的市场；要么针对每个区域的不同需要设计专用产品。这两种选择很难说孰优孰劣，不过后者的性价比往往比较好，所以被很多厂商采用。

　　下面这张表格列出了稳定度与晶体振荡器类型的大致对应关系（未考虑其他因素），供读者参考。从表格中可以看出，如果要求稳定性优于±0.2 ppm，那么就只能选择OCXO，或者选择性能更可靠也更昂贵的原子钟。如果要求稳定性介于±0.2～±0.5 ppm之间，并且明确规定了温度范围和输出频率，那么既可以选择OCXO，也可以选择采用ASIC（专用集成电路）进行温度补偿的TCXO。

　　如表格所示，稳定度在±0.5～±10 ppm范围内，TCXO是最佳选择。在 ±10～±20 ppm范围内，如果其他方面的要求不是很高，那么价格低廉的SPXO/XO就足以胜任。

　　表 晶体振荡器稳定度

工作温度范围内的稳定度要求 典型应用 振荡器类型
±0.2ppm 电信传输设备的时钟基准 OCXO
±0.2～±0.5ppm 电信传输设备的Stratum 3时钟基准 OCXO,带模拟集成电路的TCXO
±0.5～±1.0ppm 军用无线电设备,E-911蜂窝电话定位器 带模拟集成电路的TCXO
±1.0～±2.5ppm 移动无线电设备(例如应急通信设备) 带模拟集成电路的TCXO
±2.5～±10ppm 移动电话 带电热调节的TCXO
±10～±20ppm 传真机 TCXO,VCXO,SPXO
>±20ppm 计算机时钟信号源 SPXO/XO


老化及其他因素
　　晶体老化是造成频率变化的又一重要因素。根据目标产品的预期寿命不同，有多种方法可以减弱这种影响。晶体老化会使输出频率按照对数曲线发生变化，也就是说在产品使用的第一年，这种现象才最为显著。

　　使用10年以上的晶体，其老化速度大约是第一年的3倍。采用特殊的晶体加工工艺可以改善这种情况，也可以采用调节的办法解决，比如，可以在控制引脚上施加电压。

　　与稳定度有关的其他因素还包括电源电压、负载变化、相位噪声和抖动，这些指标应该规定出来。对于工业产品，有时还需要提出振动、冲击方面的指标，军用品和宇航设备的要求往往更多，比如压力变化时的容差、受辐射时的容差，等等。


与全寿命有关的要求
　　稳定度要求介于±0.2～±20 ppm之间时，都可以使用TCXO。如果稳定度要求比较严格，那么应该选择采用ASIC进行温度补偿的TCXO，这种器件可以满足-40～+85℃温度范围的要求；如果稳定度要求比较宽松（低于±10 ppm），比如办公室用的传真机，其工作温度范围通常是0～50℃，那么就可以选用带电热调节器的TCXO，甚至用价格更便宜的SPXO。

　　VCXO是SPXO/XO的一种，它的输出频率可以通过外部调节，用来补偿因温度变化和晶体老化造成的频率变化。VCXO可以与参考信号保持相位同步，如果外部同步信号中断不影响设备运行，那么就可以用VCXO取代TCXO。

　　下面举例说明如何根据产品的全寿命需求选择TCXO。对于固定通信网而言，Stratum 3是关键的振荡器稳定度标准之一，在欧洲和北美，分别在SDH和SONET网络协议中予以规定。

　　Stratum 3需要的总体稳定度为 ±4.6ppm，24小时可保持稳定度（工作温度范围的稳定度加上短期稳定度）为±0.37ppm。如果工作温度范围是-20～+70℃，那么采用C-MAC企业生产的CFPT-9000系列表面贴装TCXO，就可以达到这个要求。