專利名稱：廉價(jià)的低相位噪聲的高速穩(wěn)定時(shí)間基準(zhǔn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及廉價(jià)的低相位噪聲的高速穩(wěn)定時(shí)間基準(zhǔn)。
背景技術(shù)：
各種電子測(cè)試設(shè)備都需要穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)或時(shí)間基準(zhǔn)。這對(duì)于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)依賴于對(duì)感興趣的信號(hào)進(jìn)行采樣并將它們的數(shù)字化值存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中以進(jìn)行后續(xù)處理的設(shè)備尤其關(guān)鍵。這種時(shí)間基準(zhǔn)需要提供高速時(shí)鐘信號(hào)(例如一百到幾百兆赫茲)的原因至少有兩個(gè)。首先，在ATE(自動(dòng)測(cè)試設(shè)備)行業(yè)，有一種說法“測(cè)試器上的時(shí)間就是金錢…”。這句話的意思是說如果DUT(被測(cè)試器件)的測(cè)試可以更快地結(jié)束，就可以利用更少的(昂貴的)測(cè)試器來測(cè)試更多的部件，并且實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)上的節(jié)省。一些這樣的ATE例如是根據(jù)若干衡量方式中的任一種的相當(dāng)大規(guī)模的系統(tǒng)(‘底部占地’或物理尺寸、千瓦量級(jí)的功耗、需要每平方英尺若干鎊的地板強(qiáng)度、其它地點(diǎn)環(huán)境要求等)，更不要提它們的成本了(用于測(cè)試存儲(chǔ)器設(shè)備的一些ATE系統(tǒng)是可擴(kuò)展的，并且當(dāng)組裝上全部的可選部件時(shí)可能要花費(fèi)一百萬美元以上)。其次，隨著技術(shù)的改進(jìn)，要測(cè)試的新開發(fā)部件本身可能就工作在比以往更高的速度上。由于希望以所預(yù)期的部件實(shí)際工作的速度來測(cè)試部件，或者根據(jù)對(duì)不同工作速度的適應(yīng)度對(duì)部件進(jìn)行分類，測(cè)試部件的ATE需要其自身能夠以與所預(yù)期的被測(cè)試部件相比相當(dāng)?shù)幕蚋叩乃俣裙ぷ鳌?br> 時(shí)間基準(zhǔn)還需要很穩(wěn)定，至少是具有合理的頻率穩(wěn)定性(隨時(shí)間的準(zhǔn)確性)，具有較低的周期間抖動(dòng)性或相位噪聲。由于給定部件可能是在從零點(diǎn)幾秒到一分鐘或若干分鐘不等的一段時(shí)間內(nèi)被測(cè)量，所以不要求嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室意義上的時(shí)間基準(zhǔn)的長期頻率穩(wěn)定性(例如每天1012或1014分之幾)。也不是說在測(cè)試部件過程中需要最高精度的時(shí)間基準(zhǔn)例如400,000,00X Hz(即精確到八位)的時(shí)間基準(zhǔn)實(shí)際上與400,000,000.0XXHz(即精確到十位)的時(shí)間基準(zhǔn)的效果一樣。就是說，按照這兩個(gè)基準(zhǔn)，不能工作在350MHz以上的DUT是不合格的，而能夠工作在高達(dá)425MHz的DUT是合格的。因此，我們不去找具有銫或銣元素的基本頻率標(biāo)準(zhǔn)的商用ATE石英晶體振蕩器一般就足夠了。
另一方面，尤其是針對(duì)高速操作而言，沿位置處的抖動(dòng)可能常常與DUT合格還是不合格有很大的關(guān)系。我們可以將數(shù)字信號(hào)(其值在所給出的時(shí)刻為邏輯1(真)或邏輯0(假)的信號(hào))中的抖動(dòng)認(rèn)為是由于信號(hào)的跳變而在時(shí)間軸上與理想位置的偏離。常常期望ATE設(shè)備能夠測(cè)量這種抖動(dòng)，要求能夠在時(shí)鐘周期內(nèi)所選擇的特定位置處獲取信號(hào)的樣本，并且具有相當(dāng)高的分辨率。而且，ATE不僅必須測(cè)量DUT所產(chǎn)生的輸出信號(hào)的抖動(dòng)，而且ATE一般被期望給DUT提供各種激勵(lì)以測(cè)試其承受低于理想值的輸入的能力。除了變化的信號(hào)電平和跳變時(shí)間()之外，可以改變的一個(gè)參數(shù)是那些激勵(lì)的沿位置，其測(cè)試DUT對(duì)其輸入信號(hào)上的抖動(dòng)的敏感性。這也需要能夠在時(shí)鐘周期內(nèi)選擇特定位置作為激勵(lì)信號(hào)中所應(yīng)用的跳變的位置。有各種方法可以在所選擇位置處實(shí)現(xiàn)某種所需要的活動(dòng)，并且這些方法都是給時(shí)間基準(zhǔn)中的沿引入可編程的延遲。這一切都很好，但是在這樣的布置中我們的可信度不僅受到建立延遲的準(zhǔn)確性的限制，而且受到時(shí)間基準(zhǔn)自身短期穩(wěn)定性的限制。就是說，如果我們用于進(jìn)行這種測(cè)試的時(shí)間基準(zhǔn)本身受到非常大的抖動(dòng)的影響，那么我們就不能說對(duì)DUT進(jìn)行了準(zhǔn)確的測(cè)量，包括一些帶有抖動(dòng)的測(cè)量。
因此，作為電子行業(yè)的高質(zhì)量ATE的供應(yīng)商，雖然我們可能不在乎我們的高速時(shí)間基準(zhǔn)不具有絕對(duì)的準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)室級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的長期穩(wěn)定性，但是我們確實(shí)希望其短期漂移和相位噪聲(周期間抖動(dòng))非常小，以使得在我們的ATE所進(jìn)行的測(cè)試或測(cè)量中引起非常小的誤差。
用于解決這些問題的常見方案是利用中低頻的晶體振蕩器(例如在10-20MHz的范圍內(nèi))，可以利用爐膛或其它基于對(duì)晶體溫度的感知的補(bǔ)償機(jī)構(gòu)來穩(wěn)定。當(dāng)正確地執(zhí)行時(shí)，這些技術(shù)可以在晶體的頻率處提供適當(dāng)準(zhǔn)確度的頻率和相當(dāng)?shù)偷南辔辉肼曀?。遺憾的是，大多數(shù)晶體都不能工作在新式ATE裝置常常需要的更高的頻率處(例如400MHz或更高)。直到最近，基本頻率達(dá)到那么高的晶體不得不非常薄，使得它們不能承受電線焊接處理，或者它們會(huì)在工作時(shí)斷裂。
對(duì)于大約100MHz以上的操作，常見的相應(yīng)解決方案是利用PLL(鎖相環(huán))作為頻率倍增方案的一部分來得到所需要頻率的時(shí)間基準(zhǔn)。這存在兩個(gè)缺點(diǎn)。首先，倍增也使存在于振蕩器中的相位噪聲成倍地增加。其次，PLL本身是在其操作期間進(jìn)行搜索的伺服機(jī)構(gòu)。此外，任何的電源波動(dòng)都會(huì)造成對(duì)伺服機(jī)構(gòu)的操作的干擾。就是說，PLL自身也會(huì)增加相位噪聲，并且這種影響可能會(huì)非常大。實(shí)際上，可以利用專門設(shè)計(jì)的測(cè)試設(shè)備對(duì)抖動(dòng)進(jìn)行分析，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)倍增/PLL策略容易引入隨機(jī)抖動(dòng)和模型相關(guān)的抖動(dòng)。這類電路可能會(huì)出現(xiàn)峰峰間一百皮秒的定時(shí)抖動(dòng)。因此，倍增/PLL技術(shù)可能很難提供ATE設(shè)置中的穩(wěn)定的低相位噪聲(低定時(shí)抖動(dòng))的高速時(shí)間基準(zhǔn)(例如400MHz)。但是，如果我們不提供合適的較低的相位噪聲，那么就不可能期望我們的ATE器械能準(zhǔn)確地測(cè)量DUT的抖動(dòng)，更不用說可能由時(shí)間基準(zhǔn)的抖動(dòng)引起的對(duì)其它測(cè)量的準(zhǔn)確性的限制了。
最近出現(xiàn)的反向平頂(inverted mesa)AT切割(且非常薄)的石英晶體可以具有直接發(fā)生在所需要的振蕩頻率處的振蕩表現(xiàn)模式，同時(shí)表現(xiàn)出極低的相位噪聲或定時(shí)抖動(dòng)水平。遺憾的是，隨著溫度的變化，AT切割不是非常穩(wěn)定。使用一個(gè)這種晶體的典型的低成本商用振蕩器單元被封裝在金屬罐中以進(jìn)行表面貼裝安裝，并且期望其內(nèi)部工作溫度大約為外部周圍溫度，其被允許從0℃到70℃變化。在這個(gè)范圍內(nèi)，極好的定時(shí)抖動(dòng)特性不受影響，但是使得工作頻率有±100ppm(百萬分比)的變化。這對(duì)于昂貴的ATE部件以及某些涉及用于電子測(cè)試設(shè)備的時(shí)間基準(zhǔn)的其它應(yīng)用而言是非常令人討厭的變化。
我們需要具有合理的短期穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性而無需與基本標(biāo)準(zhǔn)或者甚至是“純粹實(shí)驗(yàn)室級(jí)”標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)聯(lián)的昂貴費(fèi)用和復(fù)雜度(沒有提到空間大小和維護(hù)要求…)的低相位噪聲的高速時(shí)間基準(zhǔn)。那么我們要做些什么呢？

發(fā)明內(nèi)容
對(duì)于創(chuàng)建具有合理的短期穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的低相位噪聲的高速時(shí)間基準(zhǔn)的問題的一種解決方案是使用直接工作在所需要的高頻(例如在一百到幾百M(fèi)Hz的范圍內(nèi))處的晶體。最近研發(fā)的反向平頂AT切割石英晶體滿足這一標(biāo)準(zhǔn)。為了將外部周圍環(huán)境溫度對(duì)頻率的影響減少到大約±20ppm，晶體及其振蕩電路被熱鉗位在只需要寬松調(diào)節(jié)的合適的溫度，例如大約26℃±0.5℃的室溫，就是在79℉附近。(熟悉高穩(wěn)定性爐膛穩(wěn)定晶體振蕩器的人員應(yīng)當(dāng)注意到這與工作在70℃-80℃溫度調(diào)節(jié)為幾千分之一攝氏度相比簡直是天壤之別。)在提供了供給側(cè)(在進(jìn)入一個(gè)或多個(gè)DUT的熱環(huán)境的入口處)為26℃±0.5℃的‘冷’水流除熱系統(tǒng)的ATE設(shè)置中，400MHz的反向平頂AT切割晶體被提供了其自己的水供應(yīng)環(huán)路。其它用于寬松調(diào)節(jié)溫度的溫度穩(wěn)定技術(shù)也可以被考慮作為合適的機(jī)構(gòu)，例如Peltier(帕爾帖)單元，但是它們?nèi)匀徊蝗缡褂镁_控制的高溫爐膛。結(jié)果得到了具有足夠的頻率準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的廉價(jià)的高速時(shí)間基準(zhǔn)(它是受晶體控制的)，而且具有低于峰峰間1皮秒的定時(shí)抖動(dòng)(沒有來自PLL的影響)。


圖1是廉價(jià)的低相位噪聲的高速穩(wěn)定的時(shí)間基準(zhǔn)的簡化框圖；圖2是用在ATE環(huán)境內(nèi)的圖1的廉價(jià)的低相位噪聲的高速穩(wěn)定的時(shí)間基準(zhǔn)的簡化框圖，其中寬松控制的溫度環(huán)境通過流動(dòng)水來提供；圖3是圖1的廉價(jià)的低相位噪聲的高速穩(wěn)定的時(shí)間基準(zhǔn)的簡化框圖，其中寬松控制的溫度環(huán)境通過Peltier單元提供；圖4是適于用在其框圖類似于圖1、圖2或圖3的電路中的現(xiàn)有技術(shù)的反向平頂AT切割晶體諧振器振蕩器單元的簡化視圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參考圖1，其中示出了廉價(jià)的低相位噪聲的高速穩(wěn)定的時(shí)間基準(zhǔn)的簡化框圖1。其包括直接工作在用于高速時(shí)間基準(zhǔn)的頻率處的高頻振蕩器單元2，而不需要頻率倍增電路和/或鎖相環(huán)。振蕩器單元2可以具有被耦合到時(shí)間基準(zhǔn)/時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生&分配電路8的差分輸出信號(hào)7，定時(shí)信號(hào)9從所述時(shí)間基準(zhǔn)/時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生&分配電路8被施加到某個(gè)使用設(shè)備或電路(未示出)。
振蕩器單元2本身可以是一種商用裝置，可以來自于諸如Fort Myers，F(xiàn)lorida的Crystek Crystals Corporation的商家。例如，它可以類似于它們的CVPD-940或CVPD-970型3.3V LVPECL差分VCXO中的一個(gè)，它們提供的標(biāo)準(zhǔn)工作頻率從大約78MHz到大約669MHz。這些電壓控制的振蕩器是很小(9mm×14mm，5mm高)的密閉金屬罐以用于表面貼裝應(yīng)用。這些振蕩器被期望工作在它們周圍環(huán)境的溫度下，并且不包括任何設(shè)立或調(diào)節(jié)它們的工作溫度的機(jī)構(gòu)。因此，例如這些Crystek部件只具有六個(gè)電端子電源(3.3V)、電源返回、頻率控制電壓、啟用/禁用輸入以及兩個(gè)差分輸出信號(hào)。它們的工作溫度范圍例如為0℃到70℃(作為另一選項(xiàng)也可以是-40℃到85℃)，最大輸入電流為80mA。由于其所有這些好的特性，因此這種振蕩器單元不是具有內(nèi)部加熱器的微型爐膛振蕩器。此外，可以預(yù)期在周圍環(huán)境的0℃到70℃的工作溫度范圍上，這種振蕩器單元會(huì)出現(xiàn)±100ppm的頻率變化。
然而，這種部件針對(duì)我們的目的來說是很合適的，因?yàn)樗彩侵苯庸ぷ髟诟信d趣的頻率處且具有非常低的相位噪聲或定時(shí)抖動(dòng)(例如大約1皮秒)的晶體振蕩器。在圖1的示例中，該頻率為400MHz，并且很容易理解感興趣的頻率可以更高或更低，這取決于所選擇的晶體及其相關(guān)聯(lián)的振蕩器電路。如背景技術(shù)中所提到的，極好的短期穩(wěn)定性和非常低的相位噪聲(定時(shí)抖動(dòng))是我們所希望得到的，而我們較少地考慮絕對(duì)頻率準(zhǔn)確性和長期穩(wěn)定性(與‘頻率標(biāo)準(zhǔn)’專業(yè)人員考慮的方式相比)。然而，我們希望相當(dāng)大程度地減少在0℃到70℃的工作溫度范圍上±100ppm的頻率變化。我們希望將其降至例如±20ppm或者可能甚至降至±10ppm，而且這樣做不會(huì)帶來昂貴的費(fèi)用和被調(diào)節(jié)的高溫?zé)釥t膛實(shí)際精度的惡化。
可以預(yù)期合理設(shè)計(jì)和操作的高質(zhì)量晶體振蕩器具有我們所希望得到的低定時(shí)抖動(dòng)和相位噪聲，并且由此我們提到了Crystek部件。當(dāng)然，其它的商家也提供了可以很好的工作的合適的同類產(chǎn)品。由于振蕩器單元2直接工作在所需要的頻率處，所以保持了低定時(shí)抖動(dòng)/良好的相位噪聲特性，并且不需要倍頻器和鎖相環(huán)(就是說也不會(huì)存在它們的附加干擾)。還要注意，雖然我們承認(rèn)自行裝配的振蕩器設(shè)計(jì)/裝配的可能性，但是應(yīng)當(dāng)明白可靠的高質(zhì)量晶體及其振蕩器的設(shè)計(jì)本身就是一門藝術(shù)，并且可以購買中等價(jià)位的合適的商用部件。
接下來，振蕩器單元2可以利用被耦合到振蕩器電路4的反向平頂AT切割帶狀晶體3，振蕩器電路4再進(jìn)而驅(qū)動(dòng)緩沖放大器5來提供前述(差分)輸出信號(hào)7。在本部分的最后，我們會(huì)提供關(guān)于振蕩器單元2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步的信息。此時(shí)，我們將其看作是框圖1內(nèi)的單一組件(2)。(畢竟，與你自己制作不同，如果你只是出去購買，那么你就是買到這個(gè)作為整體的組件。)然后，就是根據(jù)這種精神，我們注意到振蕩器單元2被置于寬松調(diào)節(jié)的溫度環(huán)境6內(nèi)(在其內(nèi)部，或者是被其包圍，或者可以是簡單地“在其上面且很好地與其連接”)。還應(yīng)當(dāng)理解寬松調(diào)節(jié)的溫度環(huán)境6本身被置于外部周圍環(huán)境32內(nèi)(其可以在由被置于實(shí)驗(yàn)室長廊或工廠地板上的閣子所包圍的容積內(nèi)的機(jī)架上)。雖然我們承認(rèn)外部周圍環(huán)境32的溫度不可能與在地球上的那個(gè)位置處的自然元件一樣不受控制(即我們的設(shè)備可能位于建筑物內(nèi)或居住有人類的其它結(jié)構(gòu)內(nèi))，但是外部周圍環(huán)境32(機(jī)架上)的溫度不是其自身“調(diào)節(jié)”或“控制”的(雖然可以有排氣扇來防止過熱…)。
我們會(huì)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候給出關(guān)于振蕩器單元2如何被置于寬松調(diào)節(jié)的溫度環(huán)境6內(nèi)的一些特定示例。但是，此時(shí)我們需要確定術(shù)語‘寬松調(diào)節(jié)的溫度環(huán)境’的意思。‘被調(diào)節(jié)’單獨(dú)使用時(shí)是一個(gè)強(qiáng)硬的詞，而我們用‘寬松調(diào)節(jié)的溫度’的意思是只是近似地被控制，或者是使其與一些其它介質(zhì)的現(xiàn)有的通常比較穩(wěn)定的溫度相同。在后面一種情況下，也不需要響應(yīng)于振蕩器的實(shí)際溫度的進(jìn)一步調(diào)節(jié)。就是說，‘開環(huán)’控制(意思是沒有反饋的伺服機(jī)制)是一種具有我們所希望的意思的‘寬松調(diào)節(jié)’的形式。
為了詳細(xì)描述這個(gè)觀點(diǎn)，我們可以說我們不太關(guān)心振蕩器的溫度是多少，只要其保持在那個(gè)溫度附近即可，例如在一兩攝氏度以內(nèi)。加或減半攝氏度是另一種合適的范圍。目前，這些對(duì)于基本不消耗功率的設(shè)備(振蕩器單元2)而言實(shí)際上是相當(dāng)寬的范圍了，并且如果有人想要形成真正的伺服環(huán)來控制溫度，那么可以按照若干種方式很容易地達(dá)到這樣的規(guī)格。實(shí)際上，溫度的感知和校正控制信號(hào)的確定不是特別麻煩的任務(wù)；它們的實(shí)現(xiàn)方式可能只是熱敏電阻、參考電壓和驅(qū)動(dòng)加熱器的若干級(jí)放大。但是整體的問題不是那么簡單。對(duì)產(chǎn)品發(fā)展的設(shè)想將幫助解釋。
假設(shè)我們希望構(gòu)建具有高頻時(shí)間基準(zhǔn)的小型便攜式設(shè)備，所述高頻時(shí)間基準(zhǔn)具有我們所描述的特性低相位噪聲、良好的短期穩(wěn)定性和中等的實(shí)際頻率準(zhǔn)確性。這利用工作在某種合適的溫度的反向平頂帶狀晶體振蕩器就可以很容易地實(shí)現(xiàn)。我們注意到當(dāng)物質(zhì)在工作狀態(tài)時(shí)其溫度會(huì)升高，所以試圖為振蕩器單元提供小的輔助熱源，可以根據(jù)需要增加或多或少的熱量以達(dá)到用于振蕩器單元的某個(gè)近似恒定的溫度。夏天的試用者選擇剛剛高于室溫。這樣在有空調(diào)的實(shí)驗(yàn)室里可以很好的工作，但是夏天在沙漠里進(jìn)行場(chǎng)地試驗(yàn)時(shí)就需要將‘適宜溫度’設(shè)為某個(gè)不太方便的較高的值。遺憾的是，我們要提醒試用者提供熱量要比去除或釋放熱量容易?，F(xiàn)在看來如果我們決定仍保持(??？)同樣的初始策略(這是一個(gè)設(shè)想)，那么我們需要將振蕩器單元及其加熱器放在絕緣的爐膛里，原因就是防止加熱器加熱器件的其余部分(“你的意思是前面板太熱不能接觸…？”)并且將不必要的功率消耗(以及電源大小)保持為最小。
同時(shí)，我們總部的同事正在開發(fā)一批希望具有相同的一般時(shí)間基準(zhǔn)的冰箱大小的ATE產(chǎn)品。這批產(chǎn)品中適當(dāng)裝備的產(chǎn)品耗電十千瓦，并且需要每平方英尺支持兩百五十磅的地板。他們(出于其他的可能是明顯的原因)已經(jīng)解決了如何去除那些熱量的問題他們使用閉環(huán)水循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有(a)被置于建筑物的被遮擋部分外部的風(fēng)扇和散熱器；或者(b)被連接到某個(gè)冷的或足夠冰的水源(例如地方水源)的中間熱交換機(jī)。必須確定重復(fù)使用的閉環(huán)水的溫度，(實(shí)質(zhì)上是自動(dòng)調(diào)溫器)并且雖然沒有一個(gè)特定的溫度被認(rèn)為特別優(yōu)于其它所有的溫度，但是各種考慮都建議‘室溫’是非常好的選擇。一般認(rèn)為‘室溫’應(yīng)當(dāng)是26℃±0.5℃。
很清楚，大型設(shè)備已提供了其自己的解決方案將振蕩器單元2的熱環(huán)境作為項(xiàng)目添加到再循環(huán)環(huán)路的剛變冷的水的路徑中。在用于大型設(shè)備(實(shí)際的真實(shí)示例如用于測(cè)試存儲(chǔ)器IC的ATE-Agilent V5500)的方案中，這樣做的費(fèi)用是可以忽略的；很容易利用現(xiàn)有的方案來實(shí)現(xiàn)其它目的。
大型設(shè)備項(xiàng)目的人員會(huì)發(fā)現(xiàn)所提出的爐膛用于小型設(shè)備有點(diǎn)夸張。通常，爐膛穩(wěn)定的晶體振蕩器是用于獲得兼具良好的短期和長期穩(wěn)定性的精確時(shí)間基準(zhǔn)的相當(dāng)昂貴的東西。它們?cè)谶_(dá)到額定的規(guī)格之前需要穩(wěn)定若干小時(shí)或若干天(早期版本，例如雙爐膛HP 104AR用了21天之久)。但是，‘好’的爐膛振蕩器是不必要的，而且肯定不希望那么昂貴的費(fèi)用，所以…，難道計(jì)劃建立一個(gè)壞的爐膛振蕩器？小型設(shè)備組的反駁是“正在使不太穩(wěn)定的振蕩器變得更穩(wěn)定且不用太高的費(fèi)用”。而且，對(duì)于小型設(shè)備項(xiàng)目的人員來說，關(guān)于給小型設(shè)備在其長管(當(dāng)不使用長管時(shí)，將其卷起放在后部面板上，就像真空吸塵器上的卷線盤一樣)末端配備微型散熱器和風(fēng)扇的難免的譏諷言論是令人厭煩的。
但是，小型設(shè)備(仍然是設(shè)想的，不過實(shí)際上是有道理的)確實(shí)提出了挑戰(zhàn)，似乎我們確實(shí)必須在熱爐膛與加熱和冷卻小型物體以將其溫度保持在‘室溫’附近的能力之間作出選擇。我們總部的同事勸阻我們使用極高溫的爐膛。但是，它確實(shí)證明存在用于小型物體的加熱和冷卻以保持‘室溫’的適合的解決方案。
現(xiàn)在參考圖2，其中示出了簡化框圖10，其中圖1中廉價(jià)的低相位噪聲的高速時(shí)間基準(zhǔn)被用在ATE環(huán)境內(nèi)，并且通過其溫度已被調(diào)節(jié)到某個(gè)所需要的范圍內(nèi)的水的流動(dòng)提供寬松控制的溫度環(huán)境。在這種布置中，振蕩器單元2驅(qū)動(dòng)具有定時(shí)產(chǎn)生器及格式器的電路15，電路15再順次耦合到具有驅(qū)動(dòng)器及比較器的電路16，針對(duì)電路16，各種信號(hào)18被施加給被測(cè)試DUT 19并且從被測(cè)試DUT 19接收各種信號(hào)18。電路16還提供被發(fā)送到ATE的衡量設(shè)備(balance)(例如為了記錄測(cè)試結(jié)果)。這是關(guān)于ATE的非常簡略的視圖，但是足以大概地告知我們時(shí)間基準(zhǔn)2所扮演的角色。
現(xiàn)在考慮時(shí)間基準(zhǔn)2，我們注意到其被置于低熱阻環(huán)境內(nèi)，這可以通過將振蕩器單元2安裝到具有低熱阻(例如銅或鋁)的合適的熱敏板11上來實(shí)現(xiàn)。熱敏板11包括在其上穿過的具有入口13和出口14的水密封通道。其溫度被預(yù)先控制為例如只有26℃±0.5℃的冷水被供應(yīng)到入口13，而從出口14流出的水被送回水源(未示出)的返回側(cè)。水通過熱敏板11的流速可以通過設(shè)計(jì)被調(diào)節(jié)為足以很容易地將振蕩器單元2升溫到大約26℃(與較低的周圍溫度無關(guān))，以及將其冷卻到大約26℃(盡管周圍的溫度較高并且存在振蕩器單元2本身的功耗)。假設(shè)振蕩器單元2非常小(上面提到的Crystek產(chǎn)品是9×4×5mm)并且其功耗僅為四分之一瓦，那么循環(huán)水源就不需要很大的附加容量?？梢詮臐M負(fù)荷的ATE系統(tǒng)中去除二十千瓦熱量的系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)轭~外的四分之一瓦而受到影響。
然而，將振蕩器單元21封閉在容器或外殼12內(nèi)并且在熱敏板/振蕩器組合的外側(cè)與外殼的內(nèi)側(cè)之間放置熱隔離區(qū)19仍然是很好的實(shí)施方式。在熱敏板和隔離區(qū)19之間，我們可以確保在短暫的平衡時(shí)期之后，振蕩器單元2工作在入口13處提供的水的溫度。另一方面，應(yīng)當(dāng)理解隔離區(qū)19和外殼12對(duì)于寬松調(diào)節(jié)振蕩器單元2的溫度不是必要的。在不能保持‘寬松調(diào)節(jié)’可能成為問題之前，如果需要，熱敏板11(厚度)及其循環(huán)水源(流速)增加和去除熱量的能力可以被提高到幾瓦或者甚至到幾十瓦。更重要的是增加的外殼12和隔離區(qū)11的價(jià)格實(shí)際上相當(dāng)?shù)?，而變化的環(huán)境溫度對(duì)振蕩器單元2的潛在影響不再是很嚴(yán)重的問題，它本身是具有確定值的。(就是說，由于明智的舉措，這個(gè)問題已經(jīng)被解決了！)循環(huán)水(可以是另一種液體)被調(diào)節(jié)為具有26℃±0.5℃的溫度，由于執(zhí)行的是對(duì)溫度的工業(yè)控制，所以這個(gè)溫度不是特別精確(所選擇的實(shí)際值及其范圍有一定的任意性)。此外，振蕩器單元2的溫度只是通過無源的低熱電阻路徑(板11)被固定為上述值，而不受感知振蕩器溫度的伺服環(huán)的支配。因而，圖2中所示的布置滿足我們前面對(duì)‘寬松調(diào)節(jié)溫度環(huán)境’的限定，并且可以預(yù)期產(chǎn)生±20ppm或±10ppm量級(jí)的頻率波動(dòng)，主要取決于循環(huán)水的溫度被調(diào)節(jié)的程度。周圍環(huán)境溫度的變化對(duì)頻率的影響一般不大，尤其是如果振蕩器單元通過隔離區(qū)19被隔離的話。
現(xiàn)在參考圖3，其中示出了與圖2類似的框圖20，只是對(duì)振蕩器單元的溫度的寬松控制是通過使用Peltier單元23來實(shí)現(xiàn)的。眾所周知，當(dāng)DC電流經(jīng)過Peltier單元時(shí)，Peltier單元呈現(xiàn)出一側(cè)升溫而另一側(cè)降溫的特性。顛倒電流方向?qū)㈩嵉褂糜诩訜岷屠鋮s的兩側(cè)。Peltier單元23的一側(cè)被熱耦合到熱敏板22(或者只是針對(duì)振蕩器單元2的情況，而沒有熱敏板…)，而另一側(cè)被暴露于可能接受熱量的環(huán)境(‘外界’或‘周圍’環(huán)境)。Peltier單元有時(shí)具有輔助的小風(fēng)扇，給定Crystek部件的大小時(shí)，這些小風(fēng)扇可能是不必要的。溫度感知元件RT25(例如電熱調(diào)節(jié)器)通知溫度控制器24，溫度控制器24利用可反轉(zhuǎn)的電流驅(qū)動(dòng)Peltier單元23以寬松地將傳感器的溫度保持(從而將振蕩器單元2的溫度保持)在所選擇的設(shè)定點(diǎn)，這是通過外殼21內(nèi)的可選隔離區(qū)26的輔助實(shí)現(xiàn)的。由于我們感興趣的只是寬松調(diào)節(jié)，所以溫度控制器24可以是簡單的元件，并且Peltier單元的尺寸可以比較小。甚至可以利用合適的雙金屬材料彈簧型自動(dòng)調(diào)溫器和具有由自動(dòng)調(diào)溫器中的觸點(diǎn)閉合控制的固定電壓電源的溫度控制器24來代替RT25。例如，已知的雙金屬材料自動(dòng)調(diào)溫器使分離的加熱和空氣調(diào)節(jié)單元工作在分別選擇的設(shè)定點(diǎn)上，同時(shí)排除一次激活這兩個(gè)單元的可能性。但是，不清楚這種機(jī)械的解決方案的成本是否確實(shí)低于相應(yīng)的電子解決方案，還要注意電子解決方案更加可靠而且受錯(cuò)誤調(diào)節(jié)的影響較小。
現(xiàn)在參考圖4，其中示出了我們所感興趣的那類現(xiàn)有技術(shù)的振蕩器單元2的簡化的剖面?zhèn)纫晥D27，并且該振蕩器單元2被利用表面貼裝技術(shù)附貼到印刷電路板28上。具體地說，視圖27可以被認(rèn)為代表了上述來自Crystek Crystals Corporation的一批部件，并且它也可以很好地代表來自其它商家的部件。廣義地說，振蕩器單元2包括可以是AT切割的反向平頂晶體29，并且其壓電激勵(lì)的基本模式發(fā)生在所需要的高頻處(例如在大約80或100MHz到大約800MHz的范圍內(nèi))。還包括具有放大、反饋和輸出緩沖的振蕩器電路(30)。當(dāng)然，反向平頂晶體29是確定振蕩的頻率和穩(wěn)定性的主要諧振元件。
一些注釋涉及反向平頂類型的晶體?！瘛疉T切割坯(blank)應(yīng)用了焊接電線并且被安裝在底板上，之后利用氬離子束刻蝕坯的中心部分以產(chǎn)生在所需要的高頻處的壓電共振。得到的是不能再承受進(jìn)一步處理的非常薄的中心石英部分。如果這樣薄的晶體試圖采用普通的形狀，那么即使它被成功地安裝而沒有被打碎，它在工作期間也很容易斷裂。
振蕩器電路及其石英諧振器被封閉在封裝(通常是金屬罐)31中。封裝31中不包括熱穩(wěn)定設(shè)備，因?yàn)轭A(yù)期整個(gè)振蕩器可以成功地工作在緊鄰著振蕩器單元2的外部的環(huán)境中的任何周圍溫度上。例如，前面提到的Crystek部件被指定工作在0℃到70℃的范圍上，允許的頻率變化為±100ppm。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的電路，所述電路包括反向平頂AT切割石英晶體諧振器；耦合到所述反向平頂AT切割石英晶體諧振器的振蕩器電路，其按照所述反向平頂AT切割石英晶體諧振器的基本頻率振蕩，并且具有按照所述反向平頂AT切割石英晶體諧振器的基本頻率產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的輸出級(jí)；并且所述反向平頂AT切割石英晶體諧振器和所述振蕩器電路被熱耦合到具有被寬松控制的溫度并且不同于包含所述電路的外部周圍環(huán)境的環(huán)境。
2.如權(quán)利要求1所述的電路，其中所述時(shí)鐘信號(hào)至少為100MHz。
3.如權(quán)利要求1所述的電路，其中所述具有被寬松控制的溫度的環(huán)境包括水流除熱系統(tǒng)。
4.如權(quán)利要求3所述的電路，其中所述水流除熱系統(tǒng)是ATE系統(tǒng)的一部分并且也去除DUT中的熱量。
5.如權(quán)利要求1所述的電路，其中所述具有被寬松控制的溫度的環(huán)境包括至少一個(gè)Peltier單元。
6.如權(quán)利要求1所述的電路，其中所述被寬松控制的溫度為大約26℃。
7.如權(quán)利要求1所述的電路，其中所述外部周圍環(huán)境被允許在大約40的范圍上變化。
8.如權(quán)利要求1所述電路，其中作為所述被寬松控制的溫度的函數(shù)的時(shí)鐘信號(hào)頻率的變化在大約±20ppm到±10ppm的范圍內(nèi)。
9.如權(quán)利要求1所述的電路，其中所述電路還包括被置于所述電路和包含所述電路的外部周圍環(huán)境之間的熱隔離區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種低相位噪聲的高速穩(wěn)定時(shí)間基準(zhǔn)，其使用直接工作在所希望的高頻一百到幾百M(fèi)Hz的晶體諧振器。反向平頂AT切割石英晶體滿足這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。為了提高頻率穩(wěn)定度，晶體及其振蕩電路被熱鉗位在只需要寬松調(diào)節(jié)的合適的溫度，即大概為室溫。在提供了供給側(cè)為26℃±0.5℃的水流除熱系統(tǒng)的示例性ATE設(shè)置中，400MHz的反向平頂AT切割晶體被簡單地提供了其自己的水供應(yīng)環(huán)路。其它用于寬松調(diào)節(jié)的溫度穩(wěn)定技術(shù)也可以被使用，例如Peltier單元。結(jié)果得到了具有足夠的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的高頻時(shí)間基準(zhǔn)，而且具有極低的晶體諧振器的定時(shí)抖動(dòng)，因?yàn)闆]有來自頻率倍增PLL的定時(shí)抖動(dòng)。
文檔編號(hào)H03B5/32GK101078908SQ200710087270
公開日2007年11月28日 申請(qǐng)日期2007年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月21日
發(fā)明者羅米·梅德 申請(qǐng)人:韋瑞吉(新加坡)私人有限公司