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1.背景
随着5g从2020年3月开始商用化，今后将进一步应对超高速，大容量通信，超覆盖扩展，低耗电，低成本化，超低时延，超高可靠通信，超多连接，对应传感等各种使用案例的多个请求条件的组合。这种趋势下，支撑信息通信的电子元器件之一就是带恒温槽的晶体振荡器（OCXO: Oven Controlled Crystal Oscillator）。特别是在智能手机的通信基站和有线网络中，由于各个场所都需要同步（Synchronization），因此作为频率，时刻和时间基准的OCXO是必不可少的。然而，与一般使用的晶体振荡器（XO，VCXO，TCXO）相比，OCXO的应用范围更为有限，使用时需要注意的事项也更多，可以说是一种更偏专业的晶体振荡器。这里将摘录说明OCXO的特点和使用要点。

2.什么是OCXO？
OCXO是指通过恒温槽保持晶体振荡器或晶体谐振器的温度恒定，从而使因环境温度变化引起的输出频率变化降到最低的这样一种晶体振荡器。对于环境温度变化的频率稳定度，几ppb ~几10ppb的型号是主流。另一方面，为了稳定输出频率，需要恒温槽持续工作，与XO和TCXO相比，OCXO在启动时需要数分钟的时间等待恒温槽升温（而TCXO的启动时间则为毫秒级），缺点是消费电流高达数W左右（TCXO为数mW ~数10mW左右）。图1所示为各种晶体振荡器的内部简易模块及频率温度特性曲线。

晶体振荡器的分类，内部简易模块图及频率温度特性
(出处：「Quartz Crystal Resonators and Oscillators
For Frequency Control and Timing Applications - A Tutorial」, 2013, John R. Vig）

(1)OCXO的尺寸趋势及应用

OCXO的应用多集中在固定通信和工业设备领域，主要包括以下几类。

在这些应用中，OCXO作为系统的频率基准源，主时钟，承担着重要作用。

各应用所需的主要特性一并列出（参见表1）。

表1. OCXO的应用及所需特性

根据上述应用，如图2所示，OCXO在晶体振荡器中呈现出相对较大的尺寸趋势。在4G，5G等移动电话及智能手机基站的应用中，25×22mm，14×9mm的尺寸是主流；而在小型基站中，9×7mm以下的尺寸呈增长趋势。由于主流产品的功耗仅为数百mW，因此与电池供电相比，外部持续稳定的电源供电更为常见。请您从应用，尺寸，功耗，频率稳定度，相位噪声，价格等角度选择最适合的产品。对于其中部分项目，如您有需求，我们公司也可为您提供最佳的解决方案。

图2. OCXO尺寸的生命周期趋势

(2)OCXO的优点与缺点
OCXO的优点与缺点可简要总结如下：

＜优点＞
　・频率稳定度高（频率对温度特性，长期频率稳定度等）
　・相位噪声低（尤其是在1Hz，10Hz等偏移频率附近区域）
　・短期频率稳定度好（尤其在τ＝1s，10s等区间）
　・抖动低（例如，在12kHz～5MHz的相位噪声积分为数百fs）

＜缺点＞
　・功耗大（例如，在稳定状态下为数百mW）
　・外形尺寸较大（最常见的尺寸为25×22×12.1mm）
　・价格较高（与TCXO等相比偏贵，但相较铷原子钟振荡器则较为便宜）

图3显示了各类振荡器的特性及优缺点的比较。

图3. 振荡器的种类及特点
(出处：「Quartz Crystal Resonators and Oscillators
For Frequency Control and Timing Applications - A Tutorial」, 2013, John R. Vig）

(3)OCXO的特点详解
以下将对OCXO的特点进行更为详细的说明：

・在晶体谐振器方面，常采用以精确的双旋角切割出的 SC切割晶片及三次泛音设计（3rd Overtone），从频率温度特性和长期频率稳定度角度来看较为常见。另一方面，对于价格较低，频率稳定度要求相对宽松的OCXO，也会使用AT切割晶体谐振器。（参见图4）
・通过使用内部恒温槽，在晶体谐振器的频率温度特性零温度点（ZTC）进行恒温控制，从而确保高频率稳定度。（参见图5）
・在晶体谐振器的封装方面，高精度，高稳定性用途多采用 金属冷焊引脚型封装，而小型化应用则多采用 陶瓷封装的焊缝密封SMT型封装。
・OCXO的频率温度特性方面，主流机型为 数ppb～数十ppb。
・OCXO的长期频率稳定度方面，主流机型为 0.几ppb/日～数ppb/日。
・由于采用了高Q值晶体谐振器，因此可期待更低的近端相位噪声，并有助于改善 BER（比特错误率） 及调制时的 EVM（误差向量幅度） 特性。

图5. OCXO内部恒温槽的温度控制点（AT切割晶体示例）

3.OCXO的典型特性

(1)启动功耗
OCXO在启动时消耗数瓦功率，经过数分钟后稳定时的功耗约为数百mW。
常温偏差的规定值 [ppb] 是在达到稳定状态后规定的，并且OCXO的各项特性也是在稳定状态下实现的。
在进行评估时，请仔细确认规格书内容，并注意直流稳压电源的电流容量后再使用。（参见图6）

图6. OCXO功耗随时间变化的示例（f：10MHz）

(2)频率温度特性
表示环境温度变化对频率偏差影响的特性即为频率温度特性。
一般规格为 数ppb～数十ppb / -40～+85℃。（参见图7）
当应用安装在温差较大的环境中，或者在应用内部由于OCXO本身，功率放大器或电源电路等发热而导致OCXO周围温度发生变化时，请参考该特性值。

图7. OCXO频率温度特性的示例（f：10MHz）

(3)长期频率稳定度（老化特性）
在OCXO的特性中，具有代表性的一项就是长期频率稳定度（又称老化特性）。
对于XO，TCXO等晶体振荡器，通常规定的是综合稳定度或年稳定度，而在OCXO的情况下，几乎总是规定以每天为单位的稳定度 [ppb/day]。
一般而言，常见的规格为 0.几ppb～数ppb/一天。（参见图8）另外，当规定以每天为单位的稳定度时，基准日（起始日）往往设定在数天后，最长可达30天后。
由于与其他晶体振荡器的时间跨度关注点完全不同，因此在产品选择和评估时需要特别留意。

图8. OCXO长期频率稳定度特性的示例（f：10MHz）

(4)相位噪声
相位噪声特性的一个示例如图9所示。
由于OCXO与其他晶体振荡器相比，采用了更大尺寸，更高泛音以及高Q值的晶体谐振器，因此在偏移频率1Hz，10Hz等近端区域的相位噪声表现更优。
因此，OCXO适用于降低移动通信基站中调制特性所要求的EVM（误差向量幅度），同时也适用于高端音响设备中用于高解析音源播放的主时钟，从而有助于实现高音质。

图9. OCXO相位噪声示例（f：10MHz）

(5)短期频率稳定度
短期频率稳定度自古以来就是衡量铷原子钟振荡器等基准振荡器基本性能的重要指标。
具体而言，它表示频率随时间变化的离散度（波动），又因发明者的名字常被称为阿伦方差（Allan Variance）。
该特性用所关注的频率测量间隔时间 Tau [s] 对应的方差 σy 来表示。
在作为时间基准的大型原子钟中，往往较为重视 Tau 100s 以上等长时间间隔；而在晶体振荡器等小型振荡器中，则更重视 Tau 1s。

短期频率稳定度的一个示例如图10所示。
通常情况下，高稳定型的OCXO在测量时间间隔 Tau 1～10s 时可达到最佳性能，如图10示例中，其性能可达 E-12 数量级。
（※作为比较对象，同尺寸的小型铷原子钟振荡器通常性能在 E-11 左右）另一方面，在 Tau 100s 以上的区域，OCXO一般性能在 E-11 以上，难以达到铷等小型原子钟振荡器 E-12 数量级的性能（参见图10中的红色曲线）。
然而，通过晶体谐振器的设计（晶片尺寸，泛音阶数，工艺条件等）以及OCXO的设计（零部件选择，结构，工艺条件等），可以实现与小型铷原子钟振荡器相当的性能（参见图10中的蓝色曲线）。

4.其他需要注意的条件等
(1)回流焊
SMT类型的OCXO可支持回流焊安装，但多数产品体积较大，关于峰值温度等回流焊温度曲线，请参考规格书上的内容或 JEDEC 等公共标准。
另外，请勿将OCXO上下颠倒安装，否则OCXO可能因自身重量而脱落或内部元器件脱落。

(2)风速
由于OCXO内部恒温槽持续加热，如果受到气流冲击，内部热量会被暂时带走，温度下降，从而表现为频率稳定度的变化。如果OCXO被安装在带有风扇的应用中，请尽量将OCXO远离风扇位置。

(3)电源变化
当供给OCXO的电压发生变化时，内部恒温槽的温度会暂时波动，从而出现输出频率的过冲或欠冲现象。数分钟后频率会重新稳定。若要避免瞬时频率波动，请使用稳定的电源电路（如DC/DC转换器，LDO等）。

(4)热冲击
当OCXO受到急剧的温度变化时，内部晶体谐振器的固有特性可能导致频率瞬时跳变。在进行温度特性评估时，请将温度梯度以约 1℃/3分钟为目标来设定温度曲线。

(5)跌落与机械冲击
OCXO与其他晶体器件相比较重，因此可能会因跌落和机械冲击导致内部的晶体谐振器及其他电子元器件损坏，从而无法发挥本来所期待的特性。最常见的模式是常温偏差发生偏移。因此，请避免跌落或施加机械冲击，务必小心处理。

5.今后的展望
本次简要介绍了OCXO的特点。
与其他晶体振荡器XO和TCXO相比，OCXO拥有最佳的频率精度和稳定度，同时也需要在使用时特别注意多个方面。由于篇幅所限，还有许多内容未能详细说明，如有疑问，欢迎随时联系，咨询。