TCXO是如何工作的？

TCXO是如何工作的？   TCXO是一種溫度補(bǔ)償振蕩器， 在需要特別高的溫度穩(wěn)定性時(shí)使用，這意味著振蕩器的頻率偏差應(yīng)在其整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)盡可能小 。

就其基本結(jié)構(gòu)而言，TCXO與沒有溫度補(bǔ)償?shù)钠胀ㄕ袷幤鳎╔O）非常相似。這兩個(gè)組件通常都使用AT切割。它們的頻率穩(wěn)定性取決于環(huán)境溫度，并在 25°C 時(shí)達(dá)到最佳值?？梢允褂?3 次多項(xiàng)式函數(shù)以簡化的方式表示溫度和頻率偏差之間的這種關(guān)系。

該圖顯示了極端溫度條件如何導(dǎo)致普通晶體振蕩器出現(xiàn)明顯的頻率偏差。根據(jù)溫度和組件，這些偏差最大為 ±100 ppm（百萬分之幾）。這聽起來可能很高，但這種頻率穩(wěn)定性對于許多應(yīng)用來說絕對足夠了。在許多應(yīng)用中，普通石英振蕩器只是產(chǎn)生精確參考頻率的最經(jīng)濟(jì)的解決方案。

相比之下，尤其是無線領(lǐng)域的應(yīng)用在頻率穩(wěn)定性方面的要求要高得多。藍(lán)牙、ZigBee 和 Co. 等常見無線電標(biāo)準(zhǔn)都適用于極低的高頻信道帶寬。在這些條件下，即使是很小的頻率偏差也會(huì)導(dǎo)致問題。在整個(gè)使用壽命和整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，頻率穩(wěn)定性是最重要的。這正是 TCXO 發(fā)揮作用的地方。

TCXO的功能

在TCXO 的幫助下，頻率偏差可在 -40°C 至 +85°C 的整個(gè)環(huán)境或工作溫度范圍內(nèi)限制在 ±0.5 ppm。

控制電壓發(fā)生器

控制電壓發(fā)生器是TCXO的核心，該電路部分有一個(gè)內(nèi)置溫度傳感器，用于測量環(huán)境溫度 ?；诖诵畔ⅲ诘谝徊街惺褂帽容^器和預(yù)定義的參考電壓生成溫度電壓 。在第二步中，使用函數(shù)發(fā)生器將其轉(zhuǎn)換為特定的控制電壓 (V_C)，其中函數(shù)發(fā)生器包含多項(xiàng)式函數(shù)。

如下圖所示，控制電壓（紅色曲線）顯示了多項(xiàng)式函數(shù)的形式，旨在抵消藍(lán)色顯示的各個(gè)石英盤的頻率/溫度曲線。因此，控制電壓補(bǔ)償了由環(huán)境溫度變化引起的頻率波動(dòng)。

環(huán)境溫度和頻率偏差（藍(lán)色曲線）之間的關(guān)系因石英盤而異。這意味著： 必須為每個(gè)單獨(dú)的 TCXO 單獨(dú)確定用于生成控制電壓（紅色曲線）的多項(xiàng)式函數(shù)的系數(shù)。這種復(fù)雜的工藝保證了最高精度，這也是與普通石英振蕩器相比價(jià)格略高的原因。 

校正電路

這部份電路利用產(chǎn)生的控制電壓來校正因溫度變化引起的振蕩器頻率偏差。要準(zhǔn)確了解這是如何實(shí)現(xiàn)的，有必要看一下以下等式：

因此，振蕩器的諧振頻率 (fosc) 由兩個(gè)等效變量決定：晶體的等效電感 (L) 和等效電容 (C)。

電感（L）由石英的自然特性定義。它的值隨環(huán)境溫度而變化，但不受工程師干預(yù)的影響。因此，必須通過調(diào)整電容 (C) 來補(bǔ)償電感 (L) 的變化。

這種補(bǔ)償在專用 IC (ASIC) 內(nèi)進(jìn)行，并使用控制電壓 和幾個(gè)變?nèi)荻O管來實(shí)現(xiàn)。后者是允許電控電容的電子半導(dǎo)體元件。簡而言之，它將電路第一部分產(chǎn)生的控制電壓“轉(zhuǎn)換”為等效電容的相應(yīng)變化。

因此可以說：如果環(huán)境溫度升至 25°C 以上，晶體的等效電感 也會(huì)增加。同時(shí)，為了保證頻率穩(wěn)定，等效電容向下修正了一個(gè)互補(bǔ)量。為此，TCXO 使用多個(gè)變?nèi)荻O管和相應(yīng)的控制電壓 ，該控制電壓在第一電路部分產(chǎn)生。

振蕩電路

除了這些溫度補(bǔ)償電路之外，TCXO 自然還有一個(gè)普通的振蕩器電路，該振蕩器電路經(jīng)過優(yōu)化以產(chǎn)生所需的頻率。

電壓調(diào)節(jié)器

該電路塊是一種保護(hù)機(jī)制。目的是穩(wěn)定施加到 TCXO 的外部電壓，以防止 TCXO 內(nèi)的電壓波動(dòng)，例如由工作電壓干擾引起的電壓波動(dòng)。

輸出緩沖器

這也是一種保護(hù)機(jī)制。輸出緩沖器將晶體振蕩器與外部負(fù)載變化解耦。因此，輸出負(fù)載電容的變化不會(huì)影響諧振頻率的精度。

TCXO典型應(yīng)用領(lǐng)域

由于極其高的頻率穩(wěn)定性，TCXO 特別適用于無線數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，例如電信領(lǐng)域。在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域、GPS 等導(dǎo)航應(yīng)用和眾多消費(fèi)品中，這些組件的需求量也很大。

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