康比電子該篇文章報(bào)道了基于模擬振蕩電路結(jié)合使用熱敏電阻和相關(guān)分立電器的傳統(tǒng)溫度傳感電路,開(kāi)發(fā)了尺寸為9.7mmx7.5mm的高穩(wěn)定性小型化烤箱控制晶體振蕩器(OCXO)組件.實(shí)施有限元法(FEM)以優(yōu)化爐結(jié)構(gòu)的爐子穩(wěn)定性.因此,在-40至85°C的環(huán)境溫度范圍內(nèi),低于±1°C的高度穩(wěn)定的烤箱性能進(jìn)行了數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)證明.因此,該結(jié)果意味著使用AT切割晶體,小型化OCXO的頻率穩(wěn)定性可以達(dá)到小于±20ppb.

眾所周知,臺(tái)灣晶技TXC晶振集團(tuán)在業(yè)界是比較高名氣的頻率元件制造商,自成立以來(lái)已經(jīng)向市場(chǎng)及各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域提供了各種高的質(zhì)量,高的品質(zhì)產(chǎn)品,有耐高溫的車載晶振,工業(yè)級(jí)晶振等各種頻點(diǎn).不斷為市場(chǎng)需求而研制出新的TXC晶振產(chǎn)品.

多年來(lái)因?yàn)槌叽绶庋b上難以突破,OCXO晶振的發(fā)展一直處于瓶頸當(dāng)中,盡量OCXO的穩(wěn)定性,可輸出LVDS,LV-PECL等差分信號(hào),但始終沒(méi)有被生產(chǎn)廠家們廣泛的使用.因此不少國(guó)內(nèi)和國(guó)外的晶體制造商,都在加緊研發(fā)小型化恒溫晶體振蕩器,其中烤箱式的OCXO晶振是比較受關(guān)注的,TXC晶振公司是臺(tái)灣知名的頻率元件制造商,小型OCXO晶振設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)目前是TXC晶振公司的重要項(xiàng)目.TXC公司現(xiàn)在成功研發(fā)的兩款小體積烤箱式恒溫晶振分別是OE晶振和OG晶振.

圖1.9.7mmx7.5mm小型化OCXO的照片

在過(guò)去幾年中,小型蜂窩解決方案通過(guò)部署為獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)或與傳統(tǒng)宏蜂窩集成,展示了其實(shí)現(xiàn)更高無(wú)線電密度和容量的能力.此外,通過(guò)使用包括室內(nèi)和室外應(yīng)用的小型蜂窩技術(shù),將大大擴(kuò)展下一代4G-LTE電信的覆蓋范圍.然而,對(duì)于小型電池應(yīng)用,由于使用具有成本有效解決方案的單個(gè)小型貼片晶振封裝的特殊要求,物理尺寸是影響小型電池設(shè)計(jì)選擇頻率控制部件的關(guān)鍵因素.因此,開(kāi)發(fā)小型化的OvenControlledCrystalReprintedOscillator(OCXO)以滿足嚴(yán)格的系統(tǒng)要求,已經(jīng)引起了很多關(guān)注.2012年,TXC晶振公司使用AT切割晶體作為溫度傳感器,開(kāi)發(fā)了數(shù)字信號(hào)處理-橢圓OCXO振蕩器(DSP-OCXO)的開(kāi)發(fā),顯示頻率可以達(dá)到±20.

圖2.小型化OCXO的功能框圖,熱敏電阻用作溫度傳感器

ppb在-40到85°C的環(huán)境溫度范圍內(nèi).然而,這種數(shù)字烤箱控制電路仍然受到溫度穩(wěn)定性的小波動(dòng)的影響[2].為了解決這個(gè)問(wèn)題,我們提出了一種尺寸為9.7mmx7.5mm的高穩(wěn)定性小型化OCXO,它基于模擬振蕩電路與傳統(tǒng)的使用熱敏電阻的溫度傳感電路相結(jié)合,如圖中OCXO晶振的真實(shí)外觀所示.1.小型化OCXO有源晶振的功能框圖如圖2所示.使用熱敏電阻作為溫度傳感器的傳統(tǒng)溫度傳感電路用于溫度控制電路.為了優(yōu)化烤箱結(jié)構(gòu),采用了有限元法(FEM)的熱分析模擬因此,從-40℃到85℃的低于±1℃變化的高度穩(wěn)定的烘箱性能在數(shù)值上和實(shí)驗(yàn)上都得到證實(shí).

傳熱模型:

OCXO恒溫晶振能夠在很寬的工作溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)極高的頻率穩(wěn)定性.這可以通過(guò)將晶體放置在具有恒溫控制的加熱器元件的隔熱爐結(jié)構(gòu)中來(lái)實(shí)現(xiàn).為了在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)OCXO的烤箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,進(jìn)行了時(shí)間依賴過(guò)程的樹(shù)維模擬.在模擬中,OCXO中傳熱模擬的控制機(jī)制只考慮了傳導(dǎo)效應(yīng).因此,一般熱傳導(dǎo)方程可以從熱力學(xué)第一定律推導(dǎo)出來(lái),如下所示:

圖3.恒溫控制加熱器的熱源定義為時(shí)間的函數(shù),包括預(yù)熱和穩(wěn)定步驟

其中[kg/]表示密度,[J/(kgK)]表示熱量恒定壓力下的容量.傅里葉傳導(dǎo)定律給出:

其中k[W/(mK)]是導(dǎo)熱系數(shù).應(yīng)該注意的是,通過(guò)在空氣的數(shù)值域中將速度設(shè)定為零來(lái)忽略對(duì)流效應(yīng).恒溫控制加熱器的熱源被定義為時(shí)間的函數(shù),如圖3所示.熱源溫度為25°C,加熱過(guò)程包括加熱速率為2.5°C/s的預(yù)熱步驟和保持溫度為97.5°C的穩(wěn)定步驟.采用對(duì)流熱通量邊界條件來(lái)表示不銹鋼cver的外墻,向環(huán)境空氣呼出:

其中n表示壁的法線,是傳熱系數(shù),表示環(huán)境空氣的溫度.在本文中,工作溫度范圍為-40至85°C.PCB中的coppr跡線(大約幾微米)的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他組件.

圖4.使用雙加熱器結(jié)構(gòu)的OCXO的示意圖

(大約幾毫米)的設(shè)備.結(jié)果,由于需要更精細(xì)的網(wǎng)格,這種多尺度問(wèn)題可能導(dǎo)致更長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間.為此,通過(guò)將銅跡線設(shè)置為邊界,在數(shù)值模型中實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電層.應(yīng)該提到的是,該假設(shè)仍滿足(1)中的傳熱配方.數(shù)值模擬中使用的材料和物理特性如表1所示,包括環(huán)境空氣,印刷電路板(PCB),晶振和加熱器封裝的陶瓷,PCB中嵌入的走線的銅,以及不銹鋼.封面.

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