TCXO, Oscilador de Cristal com Compensação de Temperatura

Os osciladores de cristal com compensação de temperatura, TCXOs, são usados ​​em muitos projetos de circuitos eletrônicos quando é necessário um nível mais alto de precisão e estabilidade do que é possível com um oscilador de cristal padrão.

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Como o nome indica, um oscilador de cristal com compensação de temperatura fornece um meio de neutralizar a mudança de frequência causada pela mudança de temperatura em um oscilador de cristal. Isso geralmente é necessário em muitos itens de equipamentos eletrônicos: projetos de circuitos eletrônicos gerais, projetos de RF, circuitos de computador e muitas outras situações.

As letras TCXO significam Oscilador Xtal com compensação de temperatura – Xtal é uma abreviação de cristal e implica um ressonador de cristal de quartzo. O módulo TCXO é capaz de fornecer desempenho consideravelmente melhorado em relação a um oscilador de cristal padrão, especialmente em termos de estabilidade de frequência em uma faixa de temperatura.

Ao medir a temperatura e aplicar uma tensão de correção a um VCXO, a estabilidade da frequência em uma faixa de temperatura é consideravelmente melhorada, mantendo os custos baixos – usando um oscilador de cristal controlado por forno, o OCXO seria consideravelmente mais caro e muito maior em tamanho.

Freqüentemente, uma ampla gama de TCXOs de várias frequências, tensões de alimentação e pacotes está disponível em muitos distribuidores de componentes eletrônicos, permitindo que esses componentes ou módulos eletrônicos sejam usados ​​em muitos projetos eletrônicos gerais, projetos de circuitos de RF, etc.

Os custos de um TCXO são muito menores do que os de um Oscilador de Cristal Controlado por Forno, OCXO. Esses módulos às vezes são usados ​​em projetos de circuitos eletrônicos onde é necessário um nível muito alto de precisão de frequência. No entanto, o custo é muito maior e os módulos são maiores e mais atuais.

Consequentemente, os TCXOs são componentes eletrônicos ideais para muitos projetos de circuitos eletrônicos, projetos de RF e similares, proporcionando um excelente equilíbrio entre desempenho e custo.

Desempenho de temperatura do oscilador de cristal

Os osciladores de cristal são capazes de fornecer um nível de desempenho muito melhor do que o fornecido pelos circuitos ressonadores LC. No entanto, os osciladores de cristal ainda são afetados pela temperatura.

Como todos os componentes eletrônicos, a temperatura afeta o desempenho. Como os ressonadores de cristal de quartzo dependem de ressonâncias mecânicas para fornecer suas respostas Q muito altas e exclusivas, qualquer alteração nas dimensões afetará a frequência ressonante.

Existem várias maneiras pelas quais as mudanças de temperatura podem ser minimizadas e o desempenho da temperatura pode ser melhorado.

Uma das principais maneiras pelas quais o desempenho da temperatura do cristal pode ser melhorado é selecionando o corte de cristal correto.

Verificou-se que o ângulo do corte do elemento de cristal ou branco em relação aos eixos do cristal tem um grande impacto no desempenho da temperatura, bem como em muitos outros aspectos críticos do desempenho.

Como resultado, cortes especiais são definidos e um conhecido como corte AT é o mais amplamente utilizado para esses e muitos outros designs e aplicações de RF de cristal de quartzo.

O corte AT oferece um bom nível de desempenho para circuitos de RF em termos de supressão de modos indesejados de vibração, bem como a faixa de frequência disponível e também a estabilidade de temperatura.

Apesar disso, os cristais de corte AT por si só não podem atender aos requisitos de muitos projetos de circuitos eletrônicos em que são necessários altos níveis de estabilidade de frequência.

Nessas situações, uma compensação de temperatura é uma solução se os projetos de circuito forem executados satisfatoriamente na faixa exigida – frequentemente 1 – 70°C no máximo é necessário.

Os efeitos da temperatura são, em grande medida, repetíveis e definíveis. Portanto, é possível ter um projeto eletrônico para compensar isso. Ao adicionar componentes eletrônicos adicionais ao oscilador básico, é possível reduzir consideravelmente os efeitos causados ​​pelas mudanças de temperatura: um oscilador de cristal com compensação de temperatura, TCXO.

Uma comparação típica dos níveis de desempenho típicos ou esperados é fornecida na tabela abaixo:

RESUMO DO DESEMPENHO TCXO
FAIXA DE TEMPERATURA	OSCILADOR DE CRISTAL BÁSICO	TCXO
0C a 70C	±25 ppm	±1,5 ppm
-20°C a 70°C	± 30 ppm	± 2,5 ppm
-40°C a 85°C	± 40 ppm	± 3 ppm
A figura mostrada são valores típicos que podem ser esperados para um TCXO e um oscilador de cristal padrão

Observação: Esses números de desempenho são muito generalizados e podem ser usados ​​apenas como um guia aproximado. Os números exatos dependerão do item usado e os números para eles devem ser obtidos nas folhas de dados dos fabricantes.

solução TCXO

Um TCXO ajusta a frequência do oscilador para compensar as mudanças que ocorrerão como resultado das mudanças de temperatura. Para conseguir isso, o elemento principal dentro de um TCXO é um oscilador de cristal controlado por tensão, VCXO.

O VCXO está conectado a um projeto de circuito que detecta a temperatura e aplica uma pequena tensão de correção ao oscilador, conforme mostrado abaixo.

Há vários elementos diferentes que compõem o oscilador controlado por temperatura geral:

• Rede de compensação:   A rede de compensação é a chave para o funcionamento de todo o sistema. Uma curva aproximada para a resposta de freqüência de temperatura do oscilador é vista acima. A curva real pode ser expressa aproximadamente na forma de uma expressão polinomial de 3ª ordem, embora uma representação mais precisa leve em conta algumas não linearidades e funcione como um polinômio de 5ª ordem. A rede de compensação precisa detectar a temperatura e produzir uma tensão que seja o inverso disso.Os primeiros projetos eletrônicos para TCXOs usavam circuitos analógicos e muitas vezes usavam diretamente uma rede de componentes eletrônicos, incluindo capacitores, resistores e termistores para controlar diretamente a frequência de oscilação. Este tipo de circuito incluiu os dois blocos no diagrama da rede de compensação e o bloco de extração de frequência de cristal. Ainda hoje, alguns desses TCXOs analógicos mais simples estão disponíveisTensão de compensação usada em um TCXO
• Atualmente, as tecnologias normalmente adotam uma abordagem indireta em que a temperatura é detectada na rede de compensação e é gerada uma tensão que fornece uma mudança de frequência que é o inverso da curva de temperatura. Isso pode ser alcançado usando algum processamento digital relativamente simples, proporcionando melhor linearização com o uso de uma PROM ou outra memória com curva de temperatura inversa à do cristal. Isso permite que todas as partes da curva sejam adequadamente linearizadas.Em geral, as curvas de cristal são relativamente semelhantes de uma unidade para outra, embora haja algumas variações, por isso pode ser um pouco de compromisso. Usando a abordagem PROM, é possível gerar uma curva para cada cristal individual, embora isso aumente significativamente o custo.Em muitos casos, o circuito de processamento é incluído em um ASIC especial para permitir que seja adaptado para atender à aplicação, otimizando o desempenho em termos de consumo de corrente.
• Circuito puxador do oscilador:   Uma vez gerada a tensão, ela é aplicada a um circuito que pode puxar a frequência do oscilador de cristal. Normalmente, o projeto do circuito de RF incorpora um diodo varactor e alguma filtragem passa-baixa.Freqüentemente, é possível puxar o oscilador em até ± 50 ppm, pois isso deve fornecer uma faixa suficiente para acomodar as variações de frequência na faixa de temperatura. Além disso, a maioria dos TCXOs tem a capacidade de ajustar a frequência para acomodar o envelhecimento. Isso também precisa ser acomodado dentro da faixa de extração do oscilador de cristal.
• Oscilador de cristal:   O circuito do oscilador é normalmente um projeto de circuito de RF padrão, mas é projetado para fornecer as condições operacionais de operação para o cristal com níveis de acionamento ideais, etc.Circuito VCXO típico
• O oscilador de cristal é projetado para desempenho ideal. O nível de feedback é otimizado para oferecer o melhor desempenho em termos de estabilidade, ruído de fase e ausência de sinais espúrios – os cristais podem ser excitados em vários modos e, portanto, o circuito precisa ser otimizado para garantir que níveis baixos de sinais espúrios sejam gerado. Um elemento-chave para isso é ter um nível de feedback relativamente baixo, mas suficiente para garantir a operação confiável do circuito. Níveis excessivos de feedback tendem a excitar modos indesejados no cristal de quartzo.A faixa do oscilador pode ser um equilíbrio entre operação confiável, desempenho e faixa na qual o oscilador pode ser ajustado. A faixa de ajuste é limitada pela redução no desempenho que pode ocorrer. Com os cristais sendo elementos Q muito altos, só é possível ajustar a frequência de oscilação em uma certa quantidade antes que o desempenho caia.
• Regulador de tensão:   Para evitar que mudanças de tensão externas introduzam mudanças de frequência indesejadas, o TCXO geral deve incorporar um regulador de tensão que não deve introduzir efeitos de temperatura indesejados.Além disso, a saída do regulador de tensão deve ter ruído muito baixo. Isso ocorre porque qualquer ruído, picos etc. tenderá a aparecer na saída como ruído de fase. Freqüentemente, esses osciladores são usados ​​em aplicações em que níveis razoáveis ​​ou baixos de ruído de fase são necessários. Assim, o desempenho do regulador de tensão é muito importante.
• Amplificador de buffer:   Um amplificador de buffer é necessário no projeto do circuito eletrônico para dar maior impulso à saída. Embora adicionando alguns componentes eletrônicos adicionais, ele fornecerá isolamento ao próprio oscilador de cristal de quaisquer alterações de carga externa que possam ser vistas. Isso melhorará consideravelmente a estabilidade, evitando que a carga real puxe a frequência de alguma forma.

Além disso, os TCXOs normalmente possuem um ajuste externo para permitir que a frequência seja redefinida periodicamente. Isso permite que os efeitos do envelhecimento do cristal sejam removidos. O período entre os ajustes de calibração dependerá da precisão necessária, mas normalmente pode ser de seis meses ou um ano. Períodos mais curtos podem ser usados ​​se níveis muito altos de precisão forem necessários.

desempenho TCXO

Ao considerar um TCXO para um projeto eletrônico, é necessário considerar as principais especificações e parâmetros da unidade.

Alguns dos principais números de desempenho estão resumidos abaixo:

• Desempenho de estabilidade TCXO:   O desempenho de temperatura TCXO é melhor do que o de um oscilador de cristal normal. Os números são normalmente citados em termos de partes por milhão, PPM em uma determinada faixa de temperatura. Normalmente, podem ser vistos números entre 10 e 40 vezes de melhoria.Os números típicos são dados na tabela acima para as diferentes faixas de temperatura. Valores superiores a ±1,5 ppm em uma faixa de temperatura de 0 a 70°C são difíceis de obter, pois se enquadram em uma categoria de alta precisão, na qual os custos aumentam significativamente.
• Dissipação de energia:   A dissipação de energia de um TCXO será maior do que um oscilador comum em vista do circuito adicional necessário. Além disso, o custo é maior. Também deve ser lembrado que levará algum tempo após a inicialização para que o oscilador se estabilize. Isso pode ser da ordem de 100 ms, ou possivelmente mais, dependendo do projeto.
• Pacote TCXO:   Os TCXOs podem ser fornecidos em uma variedade de pacotes, dependendo da forma como foram projetados e dos requisitos do usuário final. A forma mais comum de construção é construir o circuito em uma pequena placa de circuito impresso que pode ser alojada em um invólucro de metal platinado. Isso é adequado para montagem na placa de circuito principal do equipamento geral. Como o próprio cristal é selado, isso significa que a vedação do pacote TCXO geral não é crítica, ou mesmo necessária para a maioria das aplicações.Tamanhos de embalagem como 5×3,2×1,5 mm ou 5×3,5×1 mm são amplamente usados ​​para TCXOs e embalagens menores disponíveis, se necessário.
• Formato e nível de saída:   É importante garantir que a saída do TCXO seja adequada para o projeto eletrônico específico que está sendo realizado.O formato de saída para o TCXO é importante. Com muitos TCXOs sendo usados ​​para acionar circuitos digitais, a maioria dos pequenos pacotes de osciladores produz o que é chamado de onda senoidal cortada. Isso é adequado para acionar um circuito lógico, embora em muitos casos seja aconselhável colocá-lo em um buffer lógico para garantir que seja suficientemente quadrado. Freqüentemente, a saída é um circuito de coletor aberto. Se for necessária uma saída de onda senoidal, ela deve ser escolhida no início e limitará a escolha disponível. Também para outras aplicações de RF, pode ser necessária uma forma senoidal.O nível também é importante, pois deve ser suficiente para conduzir o estágio seguinte no projeto do circuito eletrônico.
• Requisitos de energia:   Os requisitos de energia reais dependerão do dispositivo específico. Muitos operam com fontes de 3 V e podem consumir apenas 2 mA, embora isso dependa do tipo geral, do fabricante e do dispositivo específico escolhido. Obviamente, é necessário garantir que os requisitos de energia possam ser atendidos pelo circuito.Em circuitos que exigem uma saída particularmente limpa em termos de ruído de fase, etc, vale a pena verificar a rejeição do ruído da fonte de alimentação na saída do oscilador.

Tipos de TCXO

Embora os osciladores de cristal com compensação de temperatura sejam normalmente referidos dessa maneira, ocasionalmente descrições mais detalhadas são usadas. Isso resultou na variedade de técnicas que podem ser usadas para fornecer a compensação de temperatura.

• ADTCXO:   Este é um TCXO Digital Analógico. Esta forma de TCXO tem sido amplamente utilizada em telefones celulares. Isso usa tecnologia analógica para fornecer correção de temperatura ao oscilador. Tem a vantagem de que as mudanças ocorrem lentamente e não ocorrem saltos de fase, como ocorre com alguns tipos totalmente digitais.
• DCXO:   O DCXO é uma forma de oscilador onde qualquer correção é calculada pelo processador host dentro do equipamento. Desta forma, o TCXO não é uma entidade separada, mas o processamento é incorporado ao equipamento geral. Isso pode ajudar a economizar custos em alguns casos.
• DTCXO:   Como se pode imaginar, este é um TCXO digital. Ele usa um sensor de temperatura e, em seguida, funções lógicas e matemáticas usam circuitos digitais junto com uma tabela de consulta. A figura de correção digital resultante é convertida em um sinal analógico usando um conversor digital para analógico, DAC.
• MCXO:   O MCXO usa um microprocessador para fornecer processamento para permitir uma compensação mais precisa sob uma variedade de circunstâncias. Embora o desempenho seja um pouco melhor, os custos são superiores aos das outras formas de TCXO.

Os TCXOs preenchem uma lacuna entre os osciladores de cristal não compensados, os osciladores xtal e os osciladores de cristal totalmente controlados pelo forno, OCXOs. Frequentemente, o desempenho do TCXO será mais do que adequado para muitas aplicações e por uma fração do custo, um contorno menor e menor consumo de energia do que um OCXO. Como os TCXOs são normalmente adquiridos como um módulo de um fabricante de TCXO, eles podem ser tratados como um único componente eletrônico no processo de produção, simplificando o processo de fabricação. Como tal, o TCXO constitui uma proposta muito atraente para muitos projetos e sistemas de circuitos eletrônicos.

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