Technologický lexikon společnosti Petermann

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.
Schematické znázornění SPXO
Schematické znázornění SPXO

SPXO: Jednoduché křemenné oscilátory nebo také nazývané CLOCK oscilátory.

SPXO využívá zpětnovazební zesilovač, ve kterém krystal funguje jako prvek určující frekvenci. Frekvence vyplývá z podmínky, že fázový posun ve smyčce je násobkem 2π. Stabilita a nízký šum závisí na kvalitě krystalu, použitém integrovaném obvodu a návrhu obvodu.

Frekvenci lze jemně doladit speciálním nastavením kapacity zátěže. Důležité jsou

  • přesnost frekvence
  • Teplotní chování
  • Závislost na provozním napětí
  • Dlouhodobá a krátkodobá stabilita
  • Citlivost na zatížení

SPXO jsou nejčastěji používané oscilátory na světě. Z hlediska množství jsou také lepší než oscilátory MEMS, a to nejen z hlediska ceny.

SPXO můžete snadno konfigurovat pomocí našeho konfigurátoru produktů. Klikněte zde: https://www.petermann-technik.de/produkte/quarz-oszillatoren.html

SPXO jsou u nás k dispozici v miniaturizovaných keramických pouzdrech o rozměrech od 1,6x1,2 mm/4pad do 7,0x5,0 mm/4pad. Nejčastěji používané pouzdro má rozměry 2,5x2,0 mm/4pad.

SPXO můžete snadno konfigurovat pomocí našeho konfigurátoru produktů.

VCXO: Napětím řízené krystalové oscilátory

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 %).

VCXO můžete samozřejmě definovat také pomocí našich konfigurátorů produktů. Za tímto účelem klikněte na : : https://www.petermann-technik.de/produkte/quarz-oszillatoren.html.

VCXO již nejsou tak rozšířené jako před 10 lety. Mnoho odpovídajících integrovaných obvodů již nabízí integrovanou varaktorovou diodu na XIN/XOUT, kterou lze použít k vytažení krystalu v obvodu. To znamená, že VCXO již není potřeba.

VCXO můžete definovat prostřednictvím našich konfigurátorů produktů.

TCXO: Krystalové oscilátory s teplotní kompenzací

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.

Samozřejmě můžeme dodat TCXO v teplotním rozsahu až do -40/+125 °C nebo řešení kompatibilní s automobilovým průmyslem. Zde si jednoduše přizpůsobte požadovaný TCXO: https://www.petermann-technik.de/produkte/quarz-oszillatoren.html

TCXO jsou u nás k dispozici ve frekvenčním rozsahu 9,6 - 52 MHz v pouzdrech 1,6x1,2 mm/4pad - 3,2x2,5 mm/4pad. Napájecí napětí jsou 1,8 VDC, 2,5 VDC a 3,3 VDC.

TCXO v teplotním rozsahu do -40/+125 °C

OCXO: Teplotně stabilizované krystalové oscilátory

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

V závislosti na požadované přesnosti a způsobu zpracování můžeme dodat OCXO v různých pouzdrech THT a SMD. Nejčastěji používaným pouzdrem je pouzdro SMD 25x25mm/5pad.

OCXO podle požadované přesnosti a způsobu zpracování

LPXO - krystalové oscilátory s nízkou spotřebou energie

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.

FAQs

Co je to křemenný oscilátor a k čemu se používá?

Krystalový oscilátor je elektronický obvod, který generuje vysoce stabilní frekvenci pomocí oscilujícího krystalu. Používá se všude tam, kde jsou vyžadovány přesné hodinové signály, referenční frekvence nebo spolehlivá synchronizace. V závislosti na konstrukci a podmínkách prostředí lze dosáhnout stability frekvence 10E-5 až 10E-12 za den. Pro standardní aplikace se obvykle používají standardizované oscilační moduly, zatímco vysoce přesná řešení se často upravují na míru. Typické aplikace sahají od komunikační a navigační techniky až po měřicí zařízení, routery a systémy IoT a IIoT.

Jaké jsou rozdíly mezi SPXO, VCXO, TCXO a OCXO?

SPXO, VCXO, TCXO a OCXO se liší především svou stabilitou, ovladatelností a vhodností pro různé podmínky prostředí. SPXO je nejčastěji používaný křemenný oscilátor a je vhodný zejména pro standardní aplikace s dobrým poměrem cena/výkon. VCXO rovněž umožňuje řízení frekvence prostřednictvím externího stejnosměrného napětí a používá se především pro synchronizaci s referenčním signálem nebo pro frekvenční modulaci. TCXO kompenzuje změny frekvence související s teplotou, a proto je vhodný zejména pro vysoce přesné aplikace v komunikaci a navigaci. OCXO pracuje s vyhřívaným termostatem a nabízí maximální stabilitu, pokud je požadován velmi nízký frekvenční drift.

Jaké faktory ovlivňují frekvenční stabilitu křemenných oscilátorů?

Frekvenční stabilita křemenných oscilátorů je dána několika elektrickými a fyzikálními vlivy. Změny teploty mají přímý vliv na frekvenci krystalu, a to i u teplotně stabilních krystalů AT-cut, a další spínací prvky mohou tento vliv ještě zvýšit. Na frekvenci mají vliv také změny napětí, zejména prostřednictvím kapacitních změn v tranzistorech zesilovače. Kromě toho může frekvenci posunout impedance zátěže na výstupu, což je důvod, proč jsou nárazníkové zesilovače užitečné pro oddělení. Dalším důležitým faktorem je stárnutí, které se nejvýrazněji projevuje v prvních měsících provozu a které lze omezit vypalováním při zvýšené teplotě.

Kdy je TCXO správnou volbou pro aplikace s přesnou frekvencí?

TCXO je správnou volbou, pokud je vyžadována vysoká frekvenční přesnost při měnících se teplotách. Teplotní kompenzace může být analogová prostřednictvím sítě termistorů nebo digitální prostřednictvím senzoru, ADC, paměti a D/A převodníku. TCXO jsou dnes žádané zejména v komunikačních a navigačních technologiích, protože nabízejí velmi dobrý fázový šum a vynikající hodnoty jitteru. Díky tomu jsou ideální pro aplikace GPS, GLONASS, smartphony, rádia, směrovače, IoT a chytré měřiče. TCXO jsou také často vhodnější než oscilátory MEMS pro obvody s následným násobením frekvence.

Jaká provedení, frekvenční rozsahy a napětí jsou k dispozici pro křemenné oscilátory?

Krystalové oscilátory jsou k dispozici v různých velikostech balení, frekvenčních rozsazích a napájecích napětích, aby pokryly širokou škálu konstrukčních požadavků. SPXO jsou k dispozici v miniaturních keramických pouzdrech od 1,6x1,2 mm do 7,0x5,0 mm, přičemž 2,5x2,0 mm je jeden z nejčastěji používaných formátů. TCXO jsou k dispozici v rozsahu od 9,6 do 52 MHz a jsou k dispozici v pouzdrech od 1,6x1,2 mm do 3,2x2,5 mm. Typická napájecí napětí jsou 1,8 VDC, 2,5 VDC a 3,3 VDC. Pro náročné aplikace lze realizovat i řešení pro teplotní rozsahy do -40 až +125 °C a verze kompatibilní s automobilovým průmyslem.

Proč křemenné oscilátory PETERMANN-TECHNIK a jejich aplikace?

Společnost PETERMANN-TECHNIK je silnou volbou pro křemenné oscilátory a jejich aplikace, protože nabízí širokou škálu SPXO, VCXO, TCXO a dalších oscilátorů. Lze realizovat standardizované výrobky i vysoce přesná a individuálně navržená frekvenční řešení pro speciální požadavky. Pomocí konfigurátoru produktů lze snadno a konkrétně sestavit vhodné krystalové oscilátory. Dostupné portfolio pokrývá kompaktní provedení, různá napájecí napětí, příslušné frekvenční rozsahy a rozšířené teplotní požadavky. Průmysloví B2B zákazníci tak mají k dispozici technicky přesná, aplikačně orientovaná a ekonomicky vhodná řešení z jednoho zdroje.

Telefonní kontakt

Naši odborníci na frekvenci jsou vám k dispozici

Zavolejte nyní

Napište nám

Pošlete nám e-mail - rádi vám pomůžeme.

Napište nám nyní
Webshop