Preguntas sobre física
Aunque los osciladores de cristal de cuarzo se han utilizado durante décadas, siempre han desempeñado un papel importante en el campo de la tecnología electrónica debido a su estabilidad de alta frecuencia. Especialmente con el rápido desarrollo de la industria de la tecnología de la información (TI), este oscilador de cristal está lleno de vitalidad. Como fuente de frecuencia estándar o fuente de señal de pulso, el oscilador de cristal de cuarzo se usa ampliamente en telecomunicaciones, comunicaciones por satélite, sistemas de telefonía móvil, sistemas de posicionamiento global (GPS), navegación, control remoto, aeroespacial, computadoras de alta velocidad, instrumentos de medición de precisión y productos de consumo. electrónica.La referencia de frecuencia proporcionada en el producto es actualmente insustituible por otros tipos de osciladores. Miniaturización, chipización, bajo ruido, precisión de alta frecuencia, alta estabilidad y alta frecuencia son los requisitos para los osciladores de cristal de cuarzo para productos portátiles como teléfonos móviles y buscapersonas de antena. De hecho, durante el desarrollo de los osciladores de cristal de cuarzo, también enfrentó amenazas y desafíos potenciales de circuitos como los generadores de frecuencia. Sólo innovando continuamente en tecnología puede este tipo de oscilador extender su ciclo de vida y obtener una ventaja sobre la competencia.
2. Estructura básica y principio de funcionamiento del oscilador de cristal de cuarzo
El oscilador de cristal de cuarzo se divide en oscilador de cristal sin compensación de temperatura, oscilador de cristal con compensación de temperatura (TCXO) y osciladores de cristal controlados por voltaje. (VCXO), osciladores de cristal controlados termostáticamente (OCXO) y osciladores de cristal compensados digital/μp (DCXO/MCXO). Entre ellos, el oscilador de cristal sin compensación de temperatura es el más simple, que se denomina oscilador de cristal de paquete estándar (SPXO) en el Estándar Industrial Japonés (JIS). Tomando SPXO como ejemplo, se presentan brevemente la estructura y el principio de funcionamiento del oscilador de cristal de cuarzo.
Los cristales naturales y artificiales son un importante material cristalino piezoeléctrico. El cristal de sincronización en sí no es un oscilador. Sólo puede oscilar con la ayuda de excitación activa y redes de reactancia pasiva. SPXO se compone principalmente de un resonador de cristal de factor de alta calidad (Q) y un circuito de oscilación de retroalimentación. El oscilador de cristal sensible al tiempo es un componente importante del oscilador. La frecuencia de un cristal (frecuencia fundamental o frecuencia armónica enésima) y sus características de temperatura dependen en gran medida de su dirección de corte. La estructura básica, la carcasa metálica y el circuito equivalente del resonador de cristal de cuarzo se muestran en la Figura 1.
Mientras se aplique un voltaje alterno a la placa del oscilador de cristal, la oblea sufrirá deformación mecánica y vibración. Este es el llamado efecto piezoeléctrico inverso. Cuando la frecuencia del voltaje aplicado es igual a la frecuencia natural del resonador de cristal, se produce resonancia piezoeléctrica, provocando un aumento repentino en la amplitud de la deformación mecánica. En el circuito equivalente del resonador de cristal que se muestra en la Figura 1 (c), Co es la oblea.
(1) Estructura de los cristales estacionales.
(b) Diagrama del paquete de carcasa metálica (c) Circuito equivalente
La capacitancia electrostática de la placa metálica; l y c son los parámetros equivalentes de la resonancia piezoeléctrica r es la fricción de vibración; pérdida de resistencia equivalente. El resonador de cristal de cuarzo tiene una frecuencia de resonancia en serie fos (1/2π) y una frecuencia de resonancia paralela fop (1/2π). ¿Por culpa de Co? c, petimetre, fos tienen poca diferencia, r? ωOL,R? 1/ωoc, por lo que el factor de calidad Q del circuito resonante es muy alto (hasta un millón), por lo que la estabilidad de frecuencia del oscilador compuesto de resonador de cristal de cuarzo es muy alta, hasta 10-12/día. La frecuencia de oscilación de un oscilador de cristal de cuarzo puede funcionar cerca de fos o fop, por lo que los osciladores de cristal de cuarzo se dividen en tipos en serie y paralelo. Es fácil entender el principio de funcionamiento del oscilador de cristal reemplazando los componentes del inductor (L) y del capacitor (C) que constituyen el circuito resonante en el oscilador LC con un resonador de cristal de cuarzo y su circuito equivalente.
La precisión total de SPXO (incluida la precisión inicial y los cambios con temperatura, voltaje y carga) puede alcanzar las 25 ppm. SPXO no tiene compensación de temperatura ni medidas de control de temperatura, y sus características de temperatura y frecuencia están determinadas casi en su totalidad por las características de temperatura y frecuencia del oscilador de cristal sensible al tiempo. La estabilidad de frecuencia del SPXO suele ser de 20 ~ 1000 ppm en el rango de 0 ~ 70 ℃, y el SPXO se puede utilizar como oscilador de reloj.
3. Oscilador de cristal con compensación de temperatura (TCXO)
TCXO es un oscilador de cristal de cuarzo que reduce la frecuencia de oscilación causada por los cambios en la temperatura ambiente agregando un circuito de compensación de temperatura.
1? Modo de compensación de temperatura de TCXO
Actualmente, en TCXO, existen dos métodos principales de compensación para la deriva de frecuencia y temperatura del oscilador de cristal sensible al tiempo: compensación directa e indirecta. compensación:
(1) Tipo de compensación directa
La compensación directa TCXO es un circuito de compensación de temperatura compuesto por un termistor y un elemento de resistencia-capacitancia, que está conectado en serie con el temporizador. Oscilador de cristal sensible en el oscilador. Cuando la temperatura cambia, la resistencia del termistor y la capacitancia en serie equivalente del cristal cambian en consecuencia, compensando o reduciendo así la deriva de temperatura de la frecuencia de oscilación. Este método de compensación tiene un circuito simple, de bajo costo, ahorra tamaño y espacio de la placa de circuito impreso (PCB) y es adecuado para aplicaciones pequeñas, de bajo voltaje y baja corriente. Sin embargo, cuando se requiere que la precisión del oscilador de cristal sea inferior a 65438 ± 0 pmm, el método de compensación directa no es aplicable.
(2) Tipo de compensación indirecta
La compensación indirecta se puede dividir en dos tipos: analógica y digital. La compensación de temperatura indirecta analógica es un circuito de conversión de temperatura a voltaje compuesto por elementos sensores de temperatura, como termistores. El voltaje se aplica a un diodo varactor conectado en serie con el oscilador de cristal, y el oscilador de cristal se compensa mediante cambios en el. Capacitancia en serie del oscilador de cristal. Deriva de frecuencia no lineal. Este método de compensación puede lograr una alta precisión de 0,5 ppm, pero está limitado a voltajes bajos por debajo de 3 V. La compensación de temperatura indirecta digital consiste en agregar un nivel analógico a digital (A/D) después del circuito de conversión de temperatura-voltaje en el circuito de compensación analógica) convertidor, convierte cantidades analógicas en cantidades digitales. Este método puede lograr una compensación automática de temperatura y hacer que la estabilidad de frecuencia del oscilador de cristal sea muy alta. Sin embargo, el circuito de compensación específico es complejo y costoso y solo es adecuado para estaciones base y estaciones de radio que requieren alta precisión.
El estado de desarrollo de 2.2. TCXO
TCXO ha logrado grandes avances en la última década, con Japón tomando una posición líder y dominante en I+D y producción de TCXO de precisión. A finales de la década de 1970, las ventas de teléfonos para automóviles TCXO alcanzaron el 20%. Arriba, ¿los productos principales actuales han caído a 0,4? ¿El volumen del dispositivo TCXO ultraminiatura es de sólo 0,27? . En 30 años, el tamaño de TCXO se ha reducido más de 50 veces o incluso 100 veces. El TCXO de montaje en superficie producido por Kyocera Ceramics Company de Japón tiene un espesor reducido de 4 mm a 2 mm después de la soldadura por reflujo y puede alcanzar el 90% de la amplitud de oscilación nominal después de 4 ms de vibración. El rango de frecuencia del TCXO producido por KSS Group es 2. ~ 80 MHz, y su estabilidad es de 1 ppm o 2 ppm cuando la temperatura cambia de -10 ℃ a 60 ℃. El TCXO digital tiene un rango de cobertura de frecuencia de 0,2 a 90 MHz y una estabilidad de frecuencia de 0,1 ppm (-30°C a +85°C). El chip TCO-935/937 de compensación directa de temperatura TCXO producido por Dongze Communication Co., Ltd. tiene características de frecuencia y temperatura (frecuencia puntual 15,36 MHz) de 1 VPP/-20 ~+70 ℃, y características de frecuencia y voltaje de 5 V ± 5 %. % de tensión de alimentación 0,3 ppm, forma de onda sinusoidal de salida (amplitud). El peso es de sólo 1g. El TCXO X3080 producido por Piezoelectric Technology está disponible en paquetes de montaje en superficie y de orificio pasante, con onda sinusoidal o salida lógica y una precisión de 0,25 ~ 1 ppm en el rango de -55 ℃ ~ 85 ℃. El nivel de productos nacionales también es relativamente alto. Por ejemplo, el TCXO (32 ~ 40 MHz) lanzado por Beijing Ruihuaxin Technology Development Co., Ltd. tiene una precisión mejor que 1 ppm a temperatura ambiente, una tasa de envejecimiento de frecuencia de 1 ppm en el primer año, ajuste fino de frecuencia (mecánico) ≥ 3 ppm y consumo de energía ≤ 120 mw. En la actualidad, la precisión de los dispositivos TCXO de alta estabilidad puede alcanzar 0,05 ppm.
La alta precisión, el bajo consumo de energía y la miniaturización siguen siendo temas de investigación para TCXO. Existen muchas dificultades en la miniaturización y la chipización, dos de las cuales son principalmente: primero, la miniaturización reducirá el rango de frecuencia variable del oscilador de cristal sensible al tiempo, lo que dificultará la compensación de temperatura; segundo, durante la operación de soldadura por reflujo después del empaquetado del chip; Si la temperatura de soldadura es mucho más alta que la temperatura máxima permitida de TCXO, la frecuencia del oscilador de cristal cambiará sin limitar la disipación de calor local y las medidas de enfriamiento, es difícil controlar el cambio de frecuencia de TCXO por debajo de 0,5 × 10-6. Sin embargo, el nivel técnico de TCXO aún no ha llegado a su límite y el contenido y el potencial de innovación siguen siendo grandes.
Aplicación del 3.3.
TCXO
Desarrollo del oscilador de cristal de cuarzo y su aplicación en sistemas inalámbricos
(1)
(2)
Figura 2 Comunicación móvil diagrama de bloques del circuito y apariencia de TCXO
Debido a la estabilidad de alta frecuencia y el pequeño tamaño de TCXO, puede comenzar rápidamente con baja corriente y sus áreas de aplicación se han extendido a los sistemas de comunicaciones móviles.
La Figura 2(a) es un diagrama de bloques del circuito de radiofrecuencia (RF) del dispositivo de comunicación móvil. El TCXO se utiliza como oscilador de referencia para proporcionar la referencia de frecuencia para el canal de transmisión y como oscilador local de primera etapa para el canal de recepción. Se utiliza otro TCXO como oscilador local de segunda etapa y su señal de oscilación se introduce en el segundo convertidor de frecuencia. Actualmente, la estabilidad de frecuencia requerida por los teléfonos móviles es de 0,1 ~ 2,5 ppm (-30 ~ +75 ℃), pero debido a consideraciones de costo, la especificación habitual es de 1,5 ~ 2,5 ppm. Uno de los productos representativos de TCXO de 12 ~ 20 MHz para teléfonos móviles es el VC-TCXO-201C1, que adopta el método de compensación directa. Su apariencia se muestra en la Figura 2(b) y es producido por KSS.
4. Oscilador de cristal controlado por voltaje (VCXO)
El oscilador de cristal controlado por voltaje (VCXO) se fabrica aplicando voltaje externo.
Oscilador de cristal de cuarzo cuya frecuencia de oscilación se puede cambiar o modular controlando el voltaje. En un VCXO típico, la frecuencia del oscilador de cristal sensible al tiempo se "extrae" generalmente cambiando la capacitancia del varactor mediante un voltaje de sintonización. El rango de control de frecuencia permitido por VCXO es relativamente amplio y el rango de extracción real probablemente esté por encima de 200 ppm.
Si se requiere que la frecuencia de salida del VCXO sea mayor que la frecuencia de salida del oscilador de cristal oportuno, se puede utilizar una solución de duplicación de frecuencia. Otra forma de ampliar el rango de sintonización es mezclar la señal de salida del oscilador de cristal con la señal de salida del VCXO. El rango de sintonización de la señal de un oscilador dual heterodino se amplía significativamente en comparación con un oscilador único.
El producto representativo de VCXO utilizado como fuente de señal de referencia de alta precisión en estaciones base de comunicaciones móviles es el VG-2320SC producido por la empresa japonesa Seiko Epson. Este dispositivo de 4 pines utiliza el mismo paquete de plástico que el IC y está hecho de un IC especial de desarrollo propio. ¿El tamaño del dispositivo es 12,6 mm × 7,6 mm × 1,9 mm y el volumen es 0,19? . La frecuencia estándar es de 12 ~ 20 mhz, el voltaje de la fuente de alimentación es de 3,0 ± 0,3 V, la corriente de funcionamiento no supera los 2 mA, la estabilidad de frecuencia es ≤ 1,5 ppm en el rango de -20 ~ +75 ℃, el rango de frecuencia variable es 20 ~ 35 ppm y el tiempo de inicio es inferior a 4 ms. El VCXO producido por Jinshi Group tiene un rango de cobertura de frecuencia de 10 ~ 360 MHz y una frecuencia de 60 ppm a 100 ppm. La tendencia de desarrollo del embalaje VCXO es hacia SMD, y el voltaje de la fuente de alimentación debe ser tan alto como 3,3 V. El chip VCXO de la serie TCO-947 producido por Toyo Communications Corporation de Japón se ha utilizado en sistemas telefónicos para automóviles ya a mediados de la década de 1990. Las frecuencias de funcionamiento de esta serie de VCXO son 12,8 MHz, 13 MHz, 14,5 MHz y 15,36 MHz. Las características de frecuencia y temperatura son 2,5 ppm/-30 ~+75 ℃, las características de voltaje de frecuencia son 0,3 ppm/5 v ±5 % y. las características de envejecimiento son. Hay dos categorías principales y seis series de VCXO utilizados para comunicaciones móviles, como el sistema telefónico personal de mano (PHS) desarrollado por Fuji Electric Chemical Company de Japón. Para cumplir con los requisitos de SMT, todos los VCXO están empaquetados en SMD. El S1318 de Saronix, el J de Vectron International, el K1526 de Champion y el DFVS 1-KH/LH de Fordahi son todos dispositivos de montaje en superficie con un voltaje de fuente de alimentación de 3,3 V o 5 V. , el rango de frecuencia o la frecuencia más alta que se puede cubrir es 32 ~ 120 mhz, 155 MHz, 2 ~ 40 mhz y 1-50 mhz respectivamente, y la tracción varía de 25 ppm a 150 ppm. Los productos de la serie T-VCXO producidos por MF Electronics tienen un tamaño de 5 mm × 7 mm y alguna vez fueron considerados los productos más pequeños de la industria, pero este récord de miniaturización se batió rápidamente. Actualmente, el VCXO recién lanzado para terminales de doble banda tiene un tamaño de solo 5,8 mm × 4,8 mm y algunos tienen dos VCXO integrados. Serie VX-8000 producida por Raltron Electronics.
Figura 3 Estructura interna del oscilador de ondas acústicas de superficie controlado por voltaje
Figura 4 Diagrama de estructura interna de 4oc XO
VCXO está instalado en la superficie del instrumento . La altura del VCXO es de 0,185 pulgadas en el paquete con plomo y de sólo 0,15 pulgadas en el paquete plano. La frecuencia de funcionamiento se puede seleccionar dentro del rango de 1 ~ 160 MHz. El rango de ajuste de frecuencia estándar es de 100 ppm y la linealidad es mejor que 10.
El oscilador controlado por voltaje (VCO) de la serie UCV4 se lanzó en julio de 1998 con un precio unitario de 2.000 yenes, dirigido al Sistema Global para Comunicaciones Móviles (GSM) y a los Teléfonos Celulares Digitales Personales (PDC). Su rango de frecuencia disponible es de 650 ~ 1700 MHz, el voltaje de la fuente de alimentación es de 2,2 ~ 3,3 V y el tamaño es de solo 4,8 mm × 5,5 mm × 65400 MHz. , con un peso de 0,12 g.
Resonador de ondas acústicas de superficie (Q≌2000) fabricado con oblea cortada en ST producida por la empresa japonesa Seiko Epson, modelo FS-555, empaquetado en cerámica de 4,8 mm × 5,2 mm × 1,5 mm. En el contenedor, el El rango de frecuencia de oscilación es de 250 ~ 500 MHz y la desviación de frecuencia inicial es de 25 ~ 65438. La estructura interna del oscilador SAW controlado por voltaje compuesto de FS-555 se muestra en la Figura 3. Para ampliar el rango de ajuste de frecuencia, se puede aumentar la inductancia del inductor en serie Lo. Dado que la frecuencia de los resonadores de ondas acústicas de superficie puede alcanzar más de 2 GHz, esto proporciona una vía importante para la alta frecuencia de los osciladores de ondas acústicas de superficie controlados por voltaje (VCSO).
Verbo (abreviatura de verbo) Oscilador de Cristal Controlado Termostáticamente (OCXO)
Un CXO es un oscilador de cristal que mantiene un oscilador de cristal o cristal en el tiempo mediante el uso de un baño de temperatura constante La temperatura del oscilador es constante y se minimizan los cambios en la frecuencia de salida del oscilador causados por cambios en la temperatura ambiente. Su estructura interna se muestra en la Figura 4. En OCXO, algunos solo colocan el oscilador de cristal oportuno en el baño de temperatura constante, algunos colocan el oscilador de cristal oportuno y los componentes importantes relacionados en el baño de temperatura constante, y algunos colocan el oscilador de cristal oportuno en el baño interno de temperatura constante, mientras que el circuito de oscilación se coloca en el baño de temperatura constante. La compensación de temperatura se realiza en un baño de temperatura constante externo y se implementa un método dual de control del baño de temperatura constante. El uso de un termostato de control proporcional puede aumentar la estabilidad de la temperatura del cristal a más de 5000 veces y la estabilidad de la frecuencia del oscilador se puede mantener al menos 1×10-9. OCXO se utiliza principalmente en equipos e instrumentos como estaciones base de comunicaciones móviles, defensa nacional, navegación, frecuencímetros, analizadores de espectro y redes.
OCXO consta de un circuito de control de temperatura constante y un circuito de oscilación. Por lo general, la gente utiliza un amplificador diferencial en serie compuesto por un "puente" de termistor para lograr el control de la temperatura. El circuito de oscilación (C1app) con control automático de ganancia (AGC) es actualmente una solución técnica ideal para obtener una frecuencia de oscilación de alta estabilidad.
En los últimos años, el nivel técnico de OCXO ha mejorado mucho. El nuevo dispositivo desarrollado por Nippon Radio Industries consume sólo 1/10 de la energía del producto anterior. Se ha logrado un gran avance para superar las deficiencias del alto consumo de energía de OCXO. El OCXO producido por la empresa utiliza un oscilador de cristal estacional de corte con tensión compensada (SCCut), que tiene una mayor estabilidad de frecuencia y un ruido de fase extremadamente bajo que el OCXO que utiliza un oscilador de cristal de temporización con corte AT. El ruido de fase se refiere a la relación entre la potencia de la señal y la potencia del ruido (C/N), que es un indicador técnico que caracteriza la fluctuación de frecuencia. El ruido de fase se mide en un ancho de banda de 1 Hz cuando se compensa la señal deseada. El ruido de fase del NV45A fabricado por Bliley Company que utiliza cristal de corte AT en los puntos de compensación de 10 Hz, 100 Hz, 1 kHz y 10 kHz es 100, 135, 140 y 145 DBC respectivamente.
El rango de frecuencia del OCXO producido por Jinshi Group es de 5 ~ 120 MHz. En el rango de temperatura de -10 ~ +60 ℃, la estabilidad de frecuencia es 0,02, 0,03 y 0,05 ppm respectivamente, y el índice de envejecimiento es 0,02 ppm/año y 0,05 ppm/año respectivamente. El controlador de temperatura dual 4895 4.096 ~ 45 MHz de Oak Frequency Control Company controla OCXO, la estabilidad de la temperatura es de solo 0,002 ppm (2×10-10)/0 ~ 75 ℃, el tamaño del 4895 OCXO es 50,8 mm × 50,8 mm × 38,3 mm; La tasa de envejecimiento es de 0,03 ppm/año. Si el tamaño es menor, se sacrificarán los indicadores de rendimiento.
El OCXO de montaje en superficie de 10 ~ 25 mhz producido por Oak Company tiene una estabilidad de frecuencia de 0,05 ppm/0 ~ 70 ℃ ~ 70 ℃. El 275 OCXO del cristal piezoeléctrico utilizado en el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) utiliza un oscilador de cristal SC sensible al tiempo en el rango de 0 ~ 75 °C, la desviación de frecuencia total es inferior a 0,005 ppm y la tasa máxima de envejecimiento. es 0,005 ppm/año. El Co-760 OCXO de Vectron International tiene un tamaño de 25,4 mm cuadrados y una altura de 12,7 mm, que es relativamente pequeño entre los productos OCXO. Con el rápido crecimiento de los productos de comunicaciones móviles, la demanda del mercado de OCXO aumentará año tras año. La dirección de desarrollo de OCXO es cumplir con los requisitos de alta frecuencia, estabilidad de alta frecuencia y bajo ruido de fase, pero el espacio para la reducción de tamaño es muy limitado.
Nibon Dempa Kogyo, fundada en 1948, Motorola de Estados Unidos y Sunny-Emi de Corea del Sur son grandes fabricantes de dispositivos de cristal de cuarzo. Los productores nacionales de osciladores de cristal de cuarzo y otros componentes incluyen el antiguo Décimo Instituto de Investigación del Ministerio de Industria Electrónica, la Fábrica 707 de Beijing, la Fábrica 875 de propiedad estatal y algunas empresas conjuntas. La investigación y el desarrollo de cristales estacionales artificiales y sus componentes comenzaron temprano en China y ahora tienen una gran capacidad de producción. En lo que respecta a los osciladores de cristal de cuarzo, en comparación con los niveles avanzados extranjeros, todavía existe una brecha en términos de tamaño de chip, miniaturización, alta frecuencia, características de frecuencia y temperatura, etc. Reducir estas brechas lo antes posible, ampliar aún más la escala de producción y mejorar el rendimiento de los costos de los productos son las únicas formas de mejorar la competitividad en el mercado internacional. Al mismo tiempo, es necesario seguir las nuevas tendencias de desarrollo de dispositivos, como la investigación y aplicación de osciladores como los generadores de vídeo.