OCXO, Oscilador de Cristal Controlado por Forno
O OCXO, Oven Controlled Crystal Oscillator fornece a maior estabilidade de qualquer oscilador de cristal.
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Tutorial sobre Cristais de Quartzo, inclui:
Cristais de quartzo: xtals | O que é quartzo | Como um cristal funciona | Operação da sobretensão do cristal | Puxamento da frequência do cristal de quartzo | Cortes de cristal de quartzo | Envelhecimento do quartzo | Fabricação de ressonadores de cristal | Como especificar um cristal de quartzo | VCXO | TCXO | OCXO | Filtro de cristal | Filtro de cristal monolítico | Ressonador e filtro cerâmico | Especificações do filtro cerâmico
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O oscilador de cristal controlado pelo forno é capaz de fornecer níveis extremamente altos de estabilidade de temperatura. Usando um forno controlado termostaticamente para manter sua temperatura acima do ambiente e, portanto, a uma temperatura constante, o OCXO é uma fonte de sinal muito estável.
O OCXO ganha suas abreviaturas do termo osciladores Oven C ontrolled crystal ( Xtal ) .
Os OCXOs são normalmente projetados de acordo com os mais altos padrões, usando ressonadores de cristal de quartzo de alta tolerância. Tendo em vista o hardware adicional do forno e os cristais de alta tolerância, eles são muito mais caros do que outras formas de oscilador de cristal. eles um
Assim como muitos outros produtos à base de cristal, os OCXOs estão disponíveis em uma ampla variação de embalagens e estilos de embalagem. Os níveis de desempenho e os custos também precisam ser considerados, pois podem variar consideravelmente.
Estabilidade de frequência de cristal de quartzo
A frequência ressonante de um cristal de quartzo varia com a frequência, embora sejam relativamente pequenas quando comparadas a outros circuitos ressonantes LC, etc.
O grau de variação é altamente dependente da forma como o cristal é cortado durante a fabricação. Os ângulos do plano do branco em relação aos eixos do cristal original determinam muitas de suas propriedades. Estes incluem o modo de vibração, o grau do efeito piezoelétrico – ou seja, sua atividade e, claro, a estabilidade da temperatura.
Um corte de cristal conhecido como corte AT é usado em muitas aplicações de uso geral, pois exibe um bom perfil de estabilidade de temperatura para muitas aplicações de temperatura ambiente, pois seu perfil mostra uma mudança baixa em torno de 20°C.
Como a maioria dos fornos de cristal funciona em temperaturas bem acima de 20°C, o cristal cortado AT não é adequado para uso em aplicações de oscilador de cristal controlado por forno.
Na década de 1970, outros cortes, incluindo o corte SC, foram desenvolvidos. Este corte de cristal de quartzo com compensação de estresse, SC, é menos sensível ao estresse mecânico e térmico, proporcionando um desempenho muito mais adequado para a operação OCXO. Além disso, possui um ponto de viragem de temperatura mais baixa, LTTP com uma inclinação muito rasa na faixa de 70 a 85 ° C, onde muitos OCXOs funcionam. A razão pela qual a inclinação é rasa é que a temperatura de infecção está na região de 90°C em oposição a 25°C no caso do cristal cortado AT.
Mais recentemente, outro corte, denominado corte de TI, foi desenvolvido. Isso supera problemas com a exigência de que o LTTP se aproxime da temperatura de inflexão. Para resolver esse problema, o corte de TI tem um ponto de virada de temperatura superior na faixa de 85 a 105°C. No entanto, não é totalmente ideal porque não fornece o menor nível de sensibilidade ao estresse mecânico do corte SC.
Comparação de estabilidade OCXO, TCXO
Aplicativos diferentes exigirão níveis diferentes de desempenho. Em alguns casos, um oscilador de cristal sozinho pode ser satisfatório, enquanto para outras aplicações pode ser necessário um oscilador com compensação de temperatura. Para os mais altos requisitos de especificação, pode ser necessário um oscilador controlado por forno.
| COMPARAÇÃO DO DESEMPENHO DE ESTABILIDADE DE TEMPERATURA DO OSCILADOR XTAL, TCXO E OCXO | |||
|---|---|---|---|
| FAIXA DE TEMPERATURA | OSCILADOR DE CRISTAL BÁSICO | TCXO | OCXO |
| 0C a 70C | ±10 ppm | ±0,5 ppm | ±0,003 ppm |
| -20°C a 70°C | ± 25 ppm | ± 0,5 ppm | ± 0,02 ppm |
| -40°C a 85°C | ± 30ppm | ± 1 ppm | ± 0,003 ppm |
Para aplicações que precisam de níveis ainda mais altos de estabilidade, opções incluindo padrões de rubídio ou alguns padrões de GPS fora do ar podem fornecer os níveis de precisão necessários.
Noções básicas de OCXO
Apesar disso, às vezes ainda é necessário garantir um melhor grau de estabilidade. Isso pode ser obtido colocando o cristal em um recipiente isolado termicamente com um aquecedor controlado termostaticamente. Ao aquecer o cristal a uma temperatura acima daquela que normalmente seria encontrada dentro do equipamento eletrônico, a temperatura do cristal pode ser mantida a uma temperatura constante. Isso resulta em um grau muito maior de estabilidade de temperatura. Além disso, o cristal no OCXO será cortado para garantir que sua estabilidade de temperatura seja otimizada para a temperatura operacional interna.
Normalmente, a temperatura interna de um forno de cristal é de 75°C ou possivelmente 85°C.
A temperatura precisa estar acima da temperatura mais alta que pode ser encontrada, caso contrário, o controle de temperatura não funcionará.
A especificação típica para um OCXO pode ser ±5 x 10 -8 por grau Celsius (0,05 ppm), enquanto um oscilador não controlado pelo forno pode ser entre 10 e 100 vezes mais pobre. Como o conjunto do oscilador também conterá circuitos de buffer, bem como regulação da tensão de alimentação, as outras características do oscilador também devem ser boas. Normalmente, pode-se esperar que a estabilidade de frequência seja em torno de ± 5 x 10 -9 (0,005 ppm) por dia e ± 5 x 10 -7 (0,5 ppm) por ano e 1 x 10 -7 para uma alteração de 5% na tensão de alimentação . Tudo isso é muito melhor do que seria esperado de um simples oscilador de cristal.
Para garantir que a precisão geral ideal seja mantida, combatendo elementos como o envelhecimento do próprio cristal, pode ser necessária uma calibração periódica do OCXO. Os períodos típicos de calibração podem ser da ordem de seis meses a um ano, mas o período real dependerá do próprio OCXO e dos requisitos da aplicação na qual está sendo usado.
Considerações Gerais OCXO
OCXOs fornecem um nível de desempenho muito melhor quando comparado a outras formas de oscilador de cristal. No entanto, há uma série de pontos a serem considerados ao escolher usar um. Algumas das vantagens, desvantagens e outras considerações são descritas abaixo:
Vantagens dos OCXOs:
- Estabilidade de temperatura: Tendo em vista o uso do forno de temperatura controlada, a estabilidade de temperatura de um OCXO é muito melhor do que a de um TCXO e certamente de um oscilador de cristal comum.
- Precisão de frequência: Como a estabilidade de temperatura dos OCXOs é muito melhor do que outras formas de oscilador de cristal, faz sentido combinar a estabilidade de temperatura aprimorada com cristais de quartzo de alta precisão para garantir um alto nível de precisão básica.
- Desempenho geral: Como a estabilidade de temperatura aprimorada dos OCXOs adiciona custos adicionais à unidade (o forno e circuitos adicionais, bem como itens mecânicos), o desempenho geral é normalmente aprimorado para corresponder à estabilidade de temperatura aprimorada.
Desvantagens dos OCXOs:
- Custo: Tendo em vista os circuitos adicionais e itens mecânicos necessários junto com cristais de alto desempenho, o OCXO normalmente não é um item de baixo custo. Alguns modelos de alto desempenho podem custar US$ 100 ou muito mais.
- Tamanho: OCXOs são fisicamente muito maiores do que um simples oscilador de cristal. Eles não apenas precisam incorporar o próprio oscilador de cristal, mas também o aquecedor, os circuitos de controle e o isolamento térmico ao redor do oscilador de cristal.
- Consumo de energia: O suprimento para o aquecedor no OCXO pode estar com bastante corrente. Algumas unidades podem exigir um Amp ou assim por diante aquecer. Este valor irá diminuir à medida que a temperatura dentro do OCXO aumenta e menos calor é necessário. Como se pode imaginar, a temperatura é controlada termostaticamente.
- Fonte de alimentação separada: Muitas vezes, o aquecedor OCXO será executado a partir de uma fonte diferente para o oscilador. Ele não precisa do mesmo nível de regulação e, de fato, é mais provável que o oscilador tenha seu próprio regulador para remover qualquer ruído disperso e RF que possa aparecer na linha de alimentação e, assim, degradar o desempenho do OCXO.
OCXOs, osciladores de cristal controlados por forno são ideais para uso onde alta estabilidade e desempenho são exigidos de um oscilador de cristal. Os OCXOs são normalmente usados como referências de sinal em vários itens de equipamentos onde alta precisão e estabilidade de temperatura são necessárias. Obviamente, isso tem um custo, mas onde o desempenho é necessário, o OCXO é necessário.
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