多年來因為尺寸封裝上難以突破，OCXO晶振的發展一直處于瓶頸當中，盡量OCXO的穩定性，可輸出LVDS，LV-PECL等差分信號，但始終沒有被生產廠家們廣泛的使用。因此不少國內和國外的晶體制造商，都在加緊研發小型化恒溫晶體振蕩器，其中烤箱式的OCXO是比較受關注的，TXC晶振公司是臺灣知名的頻率元件制造商，小型OCXO晶振設計開發目前是TXC晶振公司的重要項目。TXC公司現在成功研發的兩款小體積烤箱式恒溫晶振分別是OE晶振和OG晶振。

本文報道了基于模擬振蕩電路結合使用熱敏電阻和相關分立電器的傳統溫度傳感電路，開發了尺寸為9.7mmx7.5mm的高穩定性小型化烤箱控制晶體振蕩器（OCXO）組件。實施有限元法（FEM）以優化爐結構的爐子穩定性。因此，在-40至85°C的環境溫度范圍內，低于±1°C的高度穩定的烤箱性能進行了數值分析和實驗證明。因此，該結果意味著使用AT切割晶體，小型化OCXO的頻率穩定性可以達到小于±20ppb。

在過去幾年中，小型蜂窩解決方案通過部署為獨立網絡或與傳統宏蜂窩集成，展示了其實現更高無線電密度和容量的能力。此外，通過使用包括室內和室外應用的小型蜂窩技術，將大大擴展下一代4G-LTE電信的覆蓋范圍。然而，對于小型電池應用，由于使用具有成本有效解決方案的單個小型封裝的特殊要求，物理尺寸是影響小型電池設計選擇頻率控制部件的關鍵因素。因此，開發小型化的Oven Controlled Crystal Reprinted Oscillator（OCXO）以滿足嚴格的系統要求，已經引起了很多關注。2012年，TXC晶振公司使用AT切割晶體作為溫度傳感器，開發了數字信號處理-橢圓OCXO振蕩器（DSP-OCXO）的開發，顯示頻率可以達到±20。

圖1.9.7mmx7.5mm小型化OCXO的照片

圖2.小型化OCXO的功能框圖,熱敏電阻用作溫度傳感器

ppb在-40到85°C的環境溫度范圍內[1]。然而，這種數字烤箱控制電路仍然受到溫度穩定性的小波動的影響[2]。為了解決這個問題，我們提出了一種尺寸為9.7mmx7.5mm的高穩定性小型化OCXO，它基于模擬振蕩電路與傳統的使用熱敏電阻的溫度傳感電路相結合，如圖中OCXO晶振的真實外觀所示。1.小型化OCXO的功能框圖如圖2所示。使用熱敏電阻作為溫度傳感器的傳統溫度傳感電路用于溫度控制電路。為了優化烤箱結構，采用了有限元法（FEM）的熱分析模擬[3]。因此，從-40℃到85℃的低于±1℃變化的高度穩定的烘箱性能在數值上和實驗上都得到證實。

傳熱模型：

OCXO恒溫晶振能夠在很寬的工作溫度范圍內實現極高的頻率穩定性[4]。這可以通過將晶體放置在具有恒溫控制的加熱器元件的隔熱爐結構中來實現。為了在運行過程中對OCXO的烤箱結構進行建模，進行了時間依賴過程的樹維模擬。在模擬中，OCXO中傳熱模擬的控制機制只考慮了傳導效應。因此，一般熱傳導方程可以從熱力學第一定律推導出來，如下所示：

圖3.恒溫控制加熱器的熱源定義為時間的函數，包括預熱和穩定步驟

其中[kg/]表示密度，[J/（kgK）]表示熱量恒定壓力下的容量。傅里葉傳導定律給出：

其中k[W/（mK）]是導熱系數。應該注意的是，通過在空氣的數值域中將速度設定為零來忽略對流效應。恒溫控制加熱器的熱源被定義為時間的函數，如圖3所示。熱源溫度為25°C，加熱過程包括加熱速率為2.5°C/s的預熱步驟和保持溫度為97.5°C的穩定步驟。采用對流熱通量邊界條件來表示不銹鋼cver的外墻，向環境空氣呼出：

其中n表示壁的法線，是傳熱系數，表示環境空氣的溫度。在本文中，工作溫度范圍為-40至85°C。PCB中的coppr跡線（大約幾微米）的厚度遠遠高于其他組件。

圖4.使用雙加熱器結構的OCXO的示意圖

（大約幾毫米）的設備。結果，由于需要更精細的網格，這種多尺度問題可能導致更長的計算時間。為此，通過將銅跡線設置為邊界，在數值模型中實現高導電層。應該提到的是，該假設仍滿足（1）中的傳熱配方。數值模擬中使用的材料和物理特性如表1所示，包括環境空氣，印刷電路板（PCB），晶振和加熱器封裝的陶瓷，PCB中嵌入的走線的銅，以及不銹鋼。封面。

加工結構的設計：

為了優化爐化結構，基于有限元模擬的熱分析用于研究爐的穩定性。首先，我們優化熱敏電阻的物理位置，并顯示熱敏電阻和加熱器之間相對位置對烤箱控制電路的影響。其次，提出了一種雙加熱器結構來提高烤箱的穩定性。擬議的OCXO的圖示如圖4所示，包括兩個加熱器（加熱器1和加熱器2），三個PCB層，一個熱敏電阻和一個TCXO。無源元件，如芯片電阻和電容被忽略了。

圖5.分析熱敏電阻的物理位置以優化烤箱結構。仿真結果表明，在-40至85℃的環境溫度下，熱敏電阻的溫度變化小于0.3°C。插圖分別表示在優化之前和之后環境溫度為-40℃時的溫度分布。

圖6.（a）擬議的OCXO的熱分布

當環境溫度為85°C時，會出現模擬結果。可利用加熱器結構來改善爐的穩定性。（b）單加熱器和雙加熱器結構之間的晶體溫度的變化。（c）使用雙加熱器結構的溫度增量（T）與單加熱器結構相比較。

圖7.通過模擬和實驗獲得的在-40至85℃范圍內的環境溫度下25℃的晶體的溫度穩定性。

這里模擬。當熱敏電阻用作溫度傳感器時，精確的溫度檢測對于烤箱控制電路的反饋回路至關重要。例如，當熱敏電阻沒有完全接觸加熱器時，如圖5中的插圖所示，當加熱器的熱源設定在97.5°C而環境溫度為-40°時，熱敏電阻的溫度僅為85°CC。結果，在-40至85℃的環境溫度下獲得了超過8℃的熱敏電阻變化（圖5中的實線所示）。這種大的變化表明，由于熱敏電阻的溫度遠低于從烤箱控制電路的反饋回路設定的參考溫度，因此晶體的過熱可能會出現低環境溫度條件。換句話說，這個結果意味著應仔細研究石英晶振和溫度傳感器之間的物理距離，以確定最合適的位置。為此，我們參數化地分析了熱敏電阻的物理位置。我們發現當熱敏電阻與加熱器1完全接觸時，如圖4（虛線）所示，可以實現溫度變化小于0.3°C的溫度變化。接下來，附加加熱器（加熱器2）的效果研究了烤箱結構的熱效率。可以看出，當加熱器2被移除時，從加熱器1到PCB1的巨大熱量損失可以被發現，如通過圖6（a）中的模擬獲得的熱分布所示。

如圖所示。在圖6（b）中，給出了一個加熱器和雙加熱器結構之間的晶體溫度的比較。當加熱器2提供額外的熱源時，加熱器中的熱分布更均勻，其中加熱器1和加熱器2的穩定步驟中的溫度設定為97.5℃，而環境溫度為85℃。為了量化使用雙加熱器結構的改進，研究了通過改變加熱器2的溫度同時保持加熱器1在97.5℃的參數分析。圖6（c）中的結果顯示了與單加熱器結構相比使用雙加熱器結構的溫度增量（ΔT），當加熱器2設定在97.5℃時，其中超過1.6℃得到改善。因此，考慮到雙加熱器結構，如圖7中的模擬結果所示，成功地實現了小于±0.1℃的晶體的爐內穩定性，而外部環境溫度在-40℃至85℃之間。

實驗結果：

通過分析與加熱器相關的熱敏電阻的物理位置對烘箱結構進行參數優化，并考慮設備中使用的雙加熱器概念，下一步是實現小型化OCXO晶振。如圖7所示，獲得了通過實驗測量的小于±1℃的烘箱穩定性。應該注意的是，使用ACcut坯料作為溫度傳感器測量晶體的溫度，其在頻率和溫度之間具有很大的線性。因此，這反映出使用AT切割晶體可以使頻率穩定性達到±20ppb以下。圖8示出了當環境溫度為25℃時相應的輸出電流，其中預熱步驟和穩定步進的電流分別為320mA和150mA。此外，紅外熱量捕獲的相應熱圖像。

         圖8.環境溫度為25°C時的輸出電流，其中預熱步驟和穩定步進電流分別為320mA和150mA。成像設備如圖9所示。觀察到溫度加熱器2的溫度約為95°C。

在本文中，我們開發了一種尺寸為9.7mmx7.5mm的高穩定性小型化OCXO貼片晶振。根據FEM模擬的熱分析用于優化結構化結構。已經表明，所提出的雙加熱器結構可以提高烤箱的穩定性。因此，實驗結果顯示高度穩定的烤箱性能在-40至85°C之間小于±1°C的變化，表明如果使用AT切割晶體，可以實現小于±20ppb的高頻穩定性。

圖9.紅外熱成像設備捕獲的熱分布，加熱器2的溫度約為95°C

按照目前的市場需求和動向來看，誰先掌握OCXO晶振小型化，低成本的量產方案和技術，無疑就是掌握了巨大的商機。TXC Crystal公司生產的OE和OG的封裝尺寸分別是14.0*9.0mm，9.7*7.5mm等，這在業界里已經算是很小的了，但依然沒能達到用戶的需求，因為其他類型的振蕩器，如XO，TCXO，VCXO壓控晶振這些分類最小的尺寸都已達到1.6*1.2mm了，與之相比不能不說差距仍然很大。