用新型溫度補償技術生產精密和緊湊的振盪器

壓控振盪器(VCXO)的溫度補償方法有類比和數位兩種，由於晶振本身和黏著時額外產生的寄生振盪耦合的影響，小型晶振都會受到微擾的影響。本文介紹的Pluto類比積體電路則可獲得最佳的晶振穩定性，從而能夠生產出精密和緊湊的振盪器。

壓控振盪器(VCXO)中的晶體要求在整個工作溫度範圍內保持最佳頻率穩定性，這種晶體的頻率－溫度性能很大程度上取決於晶體面的法線和晶軸間的夾角，晶體切向合適時，晶體的頻率－溫度性能的總漂移可以控制在±10ppm以內。這種反覆出現的頻率漂移可通過調節控制電壓來糾正，幾年前業界便已推出這種振盪器，通常稱為溫度補償晶振器(TCXO)；當用戶可進行電壓調節時，這種產品又稱為溫度補償壓控振盪器(TCVCXO)。　

溫度補償所需的三階溫度函數可以通過電熱調節器網路實現，並通過配置藉由測試選擇(SOT)的電阻來訂制每個晶振的性能。上世紀八十年代初，C-MAC就推出一種積體電路，可產生溫度的多項式函數電壓。不過仍然用SOT電阻來匹配需要補償電壓的多項式的各階。

上世紀九十年代初，隨著類比積體電路技術的發展，可通過增加非揮發性記憶體控制的數－模轉換器來取代SOT電阻。C-MAC推出一種裸片，可產生高達六階溫度多項式函數，從而可提供經穩定性更高的補償晶振，如圖1所示。

在TCVCXO中使用這種六階元件時，我們發現非線度和溫度均與電壓調節有關，哪怕稍稍調節頻率也會降低補償精確度，這種效應稱為牽引偏移，如圖2所示。仔細挑選匹配振盪器中的元件可獲得所需的線性度，不過這就意味著完全整合的小型TCVCXO無法獲得最高穩定性。此外，由於在整個工作溫度範圍內調節靈敏度會有所變化，因此無法完全避免補償精度的降低。因此，C-MAC開發了另一種新的補償技術，這種補償技術針對與電壓調節有關的線性度和溫度。除了大幅減少調節引起的誤差外，這些技術使得溫度補償為四階的Pluto裸片獲得原先六階技術才能實現的預調節精度。

C-MAC最新推出的一批TCXO和TCVCXO採用一種客戶訂制的Pluto類比積體電路。Pluto的電源電壓低至2.4V。如此小範圍的調節電壓需要使用與閥值接近的超陡特性變容二極體或MOSFET以獲得所需的牽引。由於超陡變容二極體通常不整合到電路中，而MOSFET的穩定性也無法達到要求，因此C-MAC通過在IC中整合一個電壓乘法充電泵來獲得較高的控制電壓。

調諧範圍還有一個局限性，即當通過變容二極體的平均偏移接近零時，振盪信號會被改變，從而使得這部份控制失效。C-MAC則採用了一種新技術，對變容二極體上的振盪信號進行調整，以便獲得一個永久的偏置電壓。當變容二極體反向偏置時，變容二極體上的信號電壓增加，這樣通常可更大程度地恢復原來調整時損失的牽引電壓，如圖3所示。

由於調節功能強，在工業及汽車業溫度範圍內，Pluto可獲得優於±0.25ppm的穩定性(這個結果已將其它調節納入考慮)，這使得振盪器適用於多個以前只有?溫晶振(OCXO)才適用的場合，包括Stratum 3和其它SDH/SONET時脈應用。

類比與數位補償的比較

類比和數位電路均可用於產生溫度補償信號。其局限性如下：類比電路難以實現複雜的功能；而數位電路則受元件間隔尺寸影響，太小的間隔有時會在鎖相環中引起問題。採用Σ-Δ技術或頻域等價算法可將數位化中固有的間隔問題會轉化成無法控制的噪音。不過，與類比系統相比，目前小間隔的數位系統所需的裸片尺寸大，功耗也大。此外，在小裸片上，由於數位處理時脈和振盪信號的相互作用，可能會產生寄生頻率。Pluto中採用類比技術來執行一個算法，可對通過小晶體和小尺寸獲得的穩定性進行優化。

小型TCVCXO在實際補償中的局限性

儘管正確切割的晶體中的頻率－溫度性能為第三階，不過由於晶振本身和黏著時額外產生的寄生振盪耦合的影響，幾乎所有的晶振都達不到理想情況。不過只有當標稱頻率和寄生頻率接近時，耦合效應才會非常明顯。由於寄生振盪模式與固有振盪的溫度系數相差頗多，並產生了較大的微擾，當溫度範圍較小時這種微擾可能僅僅是幾度(℃)的變化。

而對於常見的標稱頻率，在開發小型晶振時通常將這種微擾限制在±0.5ppm範圍內，而合格率較好的元件則限制在0.2ppm以內。原則上人們會認為可以對這些微擾進行補償，但實際作業起來有一定困難。在調節振盪器時，它的溫度會改變(調節500ppm時改變約1攝氏度)，此外也會隨時間和過程改變。多數情況下，可將這種微擾補償為原來的三分之一。然而，這種頻率微擾形式多變，因此需要採用複雜的公式對它進行補償，而在小裸片上是不現實的。

Pluto裸片可將所有其它的溫度相關誤差補償到±0.1ppm以內，剩餘的則主要為五階Chebyshev成分。由於在補償過程中將微擾納入了考慮，可以將整體補償控制到±0.25ppm以內。

作者：Hedley Rokos