Křemenné oscilátory a jejich aplikace

Úvod:

Křemenné oscilátory jsou elektronické obvody založené na oscilaci křemenného krystalu, který generuje vysoce stabilní frekvenci. V závislosti na požadavcích a podmínkách prostředí lze dosáhnout stability frekvence v rozsahu 10E-5 až 10E-12 za den. Pro každodenní aplikace jsou k dispozici standardizované oscilátorové moduly, zatímco vysoce přesné oscilátory se obvykle navrhují a vyrábějí individuálně pro speciální požadavky.

Typy oscilátorů:

Podle mezinárodních norem se krystalové oscilátory dělí do následujících kategorií:

1. SPXO - krystalové oscilátory s jednoduchým pouzdrem
2. VCXO - napěťově řízený krystalový oscilátor.
3. TCXO - teplotně kompenzovaný krystalový oscilátor
4. OCXO - teplotně stabilizované krystalové oscilátory (krystalový oscilátor řízený v troubě).
5. LPXO - nízkovýkonové krystalové oscilátory s teplotní stabilitou od ±0,5 ppm nad -40/+85 °C a se stárnutím ±1x10E-6.

VCXO (napěťově řízené křemenné oscilátory) umožňují řízení frekvence pomocí externího stejnosměrného napětí. Obvykle se používají pouze k synchronizaci zařízení/aplikace s příchozím referenčním signálem (koncepce master-slave) nebo k frekvenční modulaci. Kapacitní dioda (varaktor) nahrazuje trimovací kondenzátor.

Typické parametry:

• Frekvenční rozsah tahu (rozsah tahu = např. ±50ppm min.)
• citlivost tahu (pullability = např. ±10ppm/pF)
• Nelinearita modulace (např. max. 10 %).

U TCXO je změna frekvence kompenzována teplotou. V závislosti na procesu může být řízení analogové (se sítí termistorů) nebo digitální (se senzorem, ADC, pamětí a D/A převodníkem).

TCXO zažívají v komunikační a navigační technice skutečnou renesanci a díky použitým integrovaným obvodům je lze vyrábět velmi levně. TCXO jsou nejrozšířenějšími vysoce přesnými krystalovými oscilátory a vyznačují se velmi dobrým fázovým šumem a vynikajícími hodnotami jitteru. Díky tomu jsou TCXO také první volbou a jsou vhodnější než oscilátory MEMS, pokud se používají v obvodech s následným násobením frekvence.

Typickými oblastmi použití jsou aplikace GPS a GLONASS, chytré telefony, rádiová zařízení, IoT, IIoT, aplikace inteligentních měřičů, směrovače, měřicí zařízení atd.

Dosažitelná stabilita frekvence:

• Typicky <0,5 - 2,5 ppm při teplotách -40 - +85 °C.

OCXO pracují s vyhřívaným termostatem, který udržuje křemen a případně i obvod na konstantní teplotě. U OCXO může být teplota termostatu v rozmezí +85 °C. Teplota ohřevu se v zásadě blíží bodu zvratu křemenné TC křivky. Aby se minimalizoval frekvenční drift křemenného rezonátoru, používá se v OCXO křemenný krystal v nadhlavníku. Obvykle ve 3. nebo 5. overtonu. Zejména v 5. overtonu je dynamická kapacita C1 (bočníková kapacita) velmi nízká, což usnadňuje kompenzaci frekvence krystalu.

Existují jednostupňové a dvoustupňové (dvojité) termostaty. Ty druhé nabízejí maximální teplotní stabilitu s nízkými frekvenčními odchylkami. Dále se v závislosti na požadované přesnosti používají křemenné rezonátory v AT nebo SC střihu. Krystaly s SC řezem nabízejí mnohem vyšší frekvenční přesnost a mnohem vyšší teplotní stabilitu než krystaly s AT řezem.

Typické přesnosti:

• < 1 x 10E-7 (OCXO single)
• < 1 x 10E-9 (dvojitý OCXO)

Vzhledem ke spotřebě energie a velikosti je použití OCXO obvykle vyhrazeno pro vysoce přesné aplikace, jako jsou základnové stanice mobilních telefonů, referenční standardy GPS, měřicí technika nebo telekomunikace.

Shrnutí důležitých parametrů oscilátoru

• Jmenovitá frekvence a tolerance
• Změna frekvence v důsledku: Teplota, napětí, zatížení, čas (stárnutí)
• Chování při záběhu, krátkodobá stabilita
• Napájení: napětí, proud, zvlnění
• Výstupní signál: úroveň, tvar, šum
• Faktory prostředí: rozsah teplot, nárazy, vibrace

LPXO jsou "mezistupněm" mezi SPXO a TCXO. LPXO se používají vždy, když je požadována buď nízká spotřeba energie, nebo když je frekvenční tolerance SPXO příliš nízká, ale tolerance TCXO příliš přesná. To znamená, že LPXO je vždy levnější než TCXO.