恒温晶振(OCXO)的技术特点、关键参数及应用趋势

恒温晶振（Oven Controlled Crystal Oscillator，OCXO）是一种高精度频率基准，本质上是一个小型电子系统。OCXO与驯服晶振（GPSDO）、铷原子钟一样重要，而且性价比更高，用途也更加广泛。随着5G应用普及，OCXO的需求快速上升，一个5G小基站至少需要一个OCXO，而宏基站可能需要超过十个OCXO。

技术特点

恒温晶振（OCXO）是装在“恒温箱”的石英晶体振荡器，它利用恒温槽使石英晶体谐振器（quartz crystal）的温度保持恒定，将周围温度变化对振荡器输出频率的影响降低到最小。

由于采用了专门的保护电路和保护措施，OCXO具有超低短期稳定性（<-178dBc），老化率非常低（每年0.05-0.5ppm），其性能不受外界温度、重力和振动等因素的影响。但是，任何降低、改变热量的因素都将导致恒温槽的核心温度漂移，使OCXO达不到标称频率稳定度的要求。

为了进一步提高频率稳定度，采用双层恒温设计的双层恒温石英振荡器（DOCXO）应运而生，其温度稳定度在-40至85°C范围内可以达到±0.1ppb；-10至70°C范围内可以达到±0.05ppb；日老化指标可达0.05 ppb；24小时累计时间误差为2.16μs，实现了与铷原子钟同等的稳定度。

由于OCXO出色的短期稳定性，业界还在其基础上外加驯服制造出性能接近原子钟的驯服晶振（GPSDO）。即不破坏OCXO晶振短期稳定性的前提下，以GPS/BDS接收机输出的秒脉冲信号为参考，通过信号追踪环路校正补偿恒温晶振（OCXO）的频率偏移，把OCXO晶振的输出信号从10^−7量级驯服到10^−12级别。

但是，OCXO晶振本质上是一个小型电子系统，涉及晶体振荡电路、电源电路、热流设计等复杂的系统技术。因此，OCXO必须使用多层板，必须有系统布线考虑，控制热传导、热瞬变，以及热流。不妥当的PCB布线可能由于附近元器件的发热，导致恒温槽核心温度过热，使频率稳定性衰退。

关键参数

OCXO晶振的主要没参数有标称频率、频率精度、频率稳定度、频率老化、功耗、工作温度等。

 

图2. 恒温晶振典型参数

（1）尺寸（Dimension）：晶振的外形大小，区分SMD和THT两种安装形式。

（2）标称频率（MHz）：这是晶振输出的基准频率，也称频点。如果该频点与应用不符合，用户可向晶振厂家订制专门的频点。

（3）电源电压（VCC）：晶振工作必须的电压，一般为3.3V/5V/12V。

（4）工作温度（Operating temp. range）：振荡器能正常工作。其频率及其他性能均不超过规定的允许偏差的温度范围。

（5）频率精度（frequency tolerance）：这是按规定条件，在+25°C基准温度下测试，晶体振荡器的频率相对于其标称值的最大允许偏差，即（f-f0）/f0，单位为ppm。

（6）频率稳定度（Frequency stability）：也称温漂，指输出频率相对于温度的漂移。按规定条件要求，在规定温度范围内晶体振荡器输出频率的最大变化量相对于温度范围内输出频率极值之和的允许频偏值，即±（fmax-fmin）/（fmax+fmin），单位为ppm。

（7）输出功率（Output Power）：施加规定电压和规定负载下，振荡器消耗的电能，用电压和消耗电流的积表示，单位为dBm。

（8）输出电压（正弦波）：施加规定的电压和负载，在规定的时间内达到稳定后，用RF表测得的有效值或用示波器测量电压峰-峰值后换算的有效值。

（9）谐波失真：用不希望的信号频谱分量和有用信号频率的谐波关系描述的非线形失真。

（10）稳定时间（settle time）：在+25°C下，以通上电源60分钟后的频率为基准来调整频率偏差至指定偏差以内所需的时间。

（11）相位噪声（Phase Noise）：是指信号功率和噪声功率的比率（C/N），是表征频率颤抖的技术指标。在对预期信号既定补偿处，以1Hz带宽为单位来测量相位噪声。

（12）年老化率（Aging/year）：晶体振荡器输出频率随时间的变化，通常用一年为单位的频率来量度，单位为ppm。

应用趋势

OCXO主要用途为通信基站、智能电网、测试及量测设备，以及雷达、制导等军事和宇航等领域，并不断向小型化、高精度、高可靠、低功耗技术方向发展。

封装上，OCXO由传统的裸金属外壳覆塑料金属向陶瓷封装转变，这大大缩小了器件体积。在高精度和高稳定度上，一些厂家已经采用双层恒温设计，开发出双层恒温石英振荡器（DOCXO）。

对于一些更高精度的导航应用，引入GPS驯服信号的驯服晶振（GPSDO）具有优良的短、中、长期信号稳定度，性能可与原子钟媲美，并有可能取代细分市场中的OCXO应用。

审核编辑：汤梓红