NDK品牌OCXO的特长及使用时的要点

NDK品牌OCXO的特长及使用时的要点

1.背景
随着5G从开始商业化，我们希望能够结合多种需求来满足各种用例，包括超高速、高容量通信、超覆盖扩展、低功耗和低成本、超低延迟、超可靠通信、超多连接和传感。
在这种趋势下，支持通信的电子元件之一是带恒温箱的晶体振荡器。(OCXO:恒温晶体振荡器)
特别是对于智能手机通信基站和有线网络，每个位置都需要同步，因此需要频率、时间和时间参考的OCXO。

但是，相对于常用的晶体振荡器(XO、VCXO、TCXO)，OCXO是一种应用有限的晶体振荡器，使用时需要考虑的点很多。

本节摘录了OCXO的功能和使用要点。

2.什么是OCXO？
OCXO是一种晶体振荡器，它通过恒温炉来保持石英晶体振荡器或晶体单元的温度，从而将环境温度变化引起的输出频率变化降至最低。
最常见的针对环境温度变化的频率稳定性是几ppb至几10 ppb的模型。
另一方面，为了稳定输出频率，恒温箱必须持续运行。因此，缺点是与XOs和TCXO相比，恒温烘箱在启动时需要几分钟来预热(在TCXO以ms级开始)或者电流消耗增加几瓦(在TCXO从几mW到几10mW)。
图1显示了各种晶体振荡器的内部简单框图和频率温度特性。

图一。晶体振荡器分类、内部简单框图和频率温度特性
(来源:石英晶体谐振器和振荡器
用于频率控制和定时应用-指南，2013年，John R. Vig)

(1)OCXO的尺寸趋势和应用

OCXO的许多应用是用于固定通信和工业设备。主要应用如下。

在该应用中，它作为系统的频率参考源和主时钟发挥着重要作用。

每种应用所需的主要特征总结如下。(参考表1。)

从上述应用来看，晶体振荡器的尺寸趋势相对较大，如图2所示
对于4G、5G等手机和智能手机基站应用，主要使用25x22mm和14x9mm石英晶振，对于小型基站，9x7mm和更小的尺寸正在增加。
另外，功耗几百mW的产品是主流，所以很多情况下，稳定的电源是从外部持续供给，而不是从电池。
从应用、尺寸、功耗、频率稳定性、相位噪声和价格的角度选择最合适的产品。
根据要求，我们还将为OCXO的一些项目提出最佳建议。

(2)OCXO的优势和劣势
下面简要总结了OCXO的优点和缺点。

<优势>
高频率稳定性(频率温度特性、长期频率稳定性等。)
低相位噪声(尤其是1Hz、10Hz或更低的偏移频率)
出色的短期频率稳定性(尤其是在τ:1s、10s等条件下。)
低抖动(例如，一般设计为几个100fs)

<缺点>
高功耗(例如，稳定时为几百mW)
外部尺寸大(最常见的尺寸为25x22x12.1mm毫米)
成本较高(与TCXO等相比)。与原子振荡器相比更便宜)

图3显示了各振荡器的特性和功能对比。

(来源:石英晶体谐振器和振荡器
用于频率控制和定时应用-指南，2013年，John R. Vig)

(3)OCXO的详细特征
下面我们将更详细地解释OCXO晶振的特色。

对于晶体单元，从频率温度特性和长期频率稳定性的角度来看，通常使用SC切割和三次泛音设计，它们以两次旋转的角度精确切割晶体片。
另一方面，AT切割晶体单元有时用于OCXO，它们价格低廉，对频率稳定性的要求相对较低。(参见图4。)
内部恒温烘箱，用于在晶体单元的频率温度特性中的零温度变化点(ZTC)保持恒温控制，以确保高频率稳定性。(参见图5。)
对于晶体单元的封装，引线型金属冷焊通常用于高精度、高稳定性应用，接缝密封的SMT型陶瓷封装通常用于小型封装。
OCXO的频率-温度特性一般主要从几个ppb到几个10ppb。
OCXO的长期频率稳定度主要从零点几个ppb/天到几个ppb/天。
由于使用了具有更高品质因数的晶体单元，因此可以预期低近相位噪声，这有助于调制期间的BER(误码率)和EVM(误差矢量幅度)特性。

3.OCXO的典型特征

(1)启动功率
OCXO在启动时消耗几瓦的功率，几分钟后稳定下来时消耗几百毫瓦的功率。
正常温度偏差的值[ppb]的提供是在达到稳定状态之后指定的，并且被设计为在稳定状态之后实现作为OCXO的各种特性。
评估时，请仔细检查规格，并注意DC稳压电源的电流容量。(参见图6。)

(2)频率温度特性
表示相对于环境温度变化的频率偏差的特性是频率温度特性。
典型规格范围为几ppb至几10 ppb/-40至+85°c(参见图7。)
当OCXO安装在寒冷或温暖的环境中时，或者如果OCXO的环境温度由于OCXO本身、功率放大器、电源电路等产生的热量而变化时，请参考该特征值。在应用程序内部。

(3)长期频率稳定性(老化)
在OCXO的特性中，特征项是长期频率稳定性(也称为老化)。
对于XO、TCXO等晶体振荡器，通常规定整体稳定度和年稳定度，但对于OCXO，一般规定日稳定度[ppb/day]。
一般来说，零逗号几ppb/天到几ppb/天的范围是常见的。
(参考图8)此外，当指定每天的稳定性时，基准日(开始日)通常被指定为几天后和长达30天后。
还要注意的是，时间跨度与其他晶体振荡器大不相同，因此在选择和评估产品时请记住这一点。

(4)相位噪声
相位噪声特性示例如图9所示。
OCXO使用比任何其他晶体振荡器更大、泛音和更高品质因数的晶体单元，从而在附近产生更好的相位噪声，例如偏移频率1Hz、10Hz。
因此，它适用于降低移动电话基站中调制特性所需的EVMs(误差向量幅度),以及用于高级音频中高分辨率声源再现的主时钟，并有助于高音质。

(5)短期频率稳定性
短期频率稳定度传统上被用作表示原子振荡器和参考振荡器基本性能的重要指标。
具体来说，它是频率随时间变化的方差(离差)的指标，通常因设计者的名字而被称为艾伦方差。
该特性被表示为相对于感兴趣的频率测量间隔时间τ[s]的方差σy。
用于时间参考的大尺寸原子钟倾向于相对强调长时间间隔如100s或更长，小尺寸振荡器如晶体振荡器倾向于强调τ1s。

短期频率稳定性示例如图10所示。
一般来说，具有高稳定性的OCXO可以预期在测量间隔τ1 ~ 10s具有最佳性能。图10显示了E-12订单的实际表现。
(*作为比较对象，相同大小的小型原子振荡器，E-11能级一般相同。)另一方面，在100s以上的区域，OCXOs一般具有E-11或更高的性能，据说小于E-12量级的小型原子振荡器如铷的性能。
(参考图10中的红色曲线。)

然而，晶体单元的设计(晶体元件的尺寸、泛音、工艺条件等。)和OCXO的设计(组件的选择、构造、工艺条件等。)可以实现与小型原子振荡器相同的特性。
(参考图10中的蓝色曲线。)

4.其他需要注意的情况等。
(1)回流
SMT型OCXO与回流安装兼容。但是，有些产品体积较大。关于峰值温度等回流温度曲线，请参考JEDEC等规范或公共标准。
请勿将OCXO倒置安装本产品。
否则，OCXO可能会因其自身重量而脱落，或者内部组件可能会脱落。

(2)风速
在OCXO，内部在恒温烤箱中不断升温。因此，当暴露在风中时，内部的热量暂时丧失，温度下降，表现为频率稳定性的变化。
当在具有风扇等的应用中安装OCXO振荡器时。，将其放置在离风扇尽可能远的地方。

(3)电源波动
当OCXO的电源电压发生变化时，内部恒温箱的温度可能会暂时波动，输出频率可能会出现过冲或欠冲。
然后，几分钟后，频率再次稳定下来。
为避免瞬时频率变化，请使用稳定的电源电路(DC/DC转换器、LDO等)。).

(4)热冲击
当对OCXO施加突然的温度变化时，由于内部晶体谐振器的自然特性，频率可能会暂时跳变。
评估温度特性时，根据大约1℃/3分钟的温度梯度设置温度曲线。

(5)坠落或机械冲击
由于OCXO的质量大于其他晶体器件，内部晶体谐振器和其他电子元件可能会因跌落或机械冲击而损坏，因此可能无法展示最初预期的特性。
具体来说，最有可能出现的模式是频移。
因此，请小心处理，以免掉落或受到机械冲击。