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 OCXOとはどんな発振器?


 (OCXO内部の水晶振動子の周波数温度特性のイメージ/横軸:温度、縦軸:周波数温度特性)

 OCXOとは、発振器内部に恒温槽を持ち、内部の水晶振動子の温度を安定度の良いところで一定に保つことで 極めて高い周波数安定度を実現している水晶発振器です。主に通信・無線や放送機器、測定機器などの周波数基準として用いられます。周波数温度特性のみならず、周波数経年変化や位相ノイズ特性にも優れています。 大きさや安定度、電源電圧などの違いでいくつか種類があります。

小型・低消費電流・恒温槽付水晶発振器(OCXO) 小型14ピン
低消費電流のOCXO
形状が小さく、比較的低消費電流。周波数起動特性に優れています(突入電流の時間が短く、安定するまでが早い))。
振動にも比較的強い構造です。 低消費電流のため放熱も少ないため、周囲部品へのダメージが抑えられます。
高安定SMDタイプ
SCカット OCXO
小型OCXOよりもさらに高安定で経年変化・周波数再現性に優れています。
形状は小型14ピンタイプよりやや大きくなります。
超高安定タイプ
SCカットOCXO
非常に高い周波数温度安定度(E-10レベル)です。
経年変化や周波数の再現性にも非常に優れています。
非常に優れた位相ノイズ特性を持っています。
 

 14ピンタイプOCXOの使い方ガイド 〜 それぞれの特性について
小型・低消費電流・恒温槽付水晶発振器(OCXO) ※ Microcrystal社の14ピンOCXOについてのご使用ガイドです。

     (1)接続回路について

     (2)周波数調整について

     (3)周波数起動特性について

     (4)消費電流について

     (5)周波数経年変化について

     (6)周波数の再現性について

     (7)周波数温度特性/ヒステリシス

     (8) 電源と位相ノイズについて (位相ノイズ測定サービスも行っています )

     (9) OCXOの設置(配置場所)について


 (1) 接続回路 について

  OCXOには周波数調整端子(#1ピン)があり、制御電圧で周波数調整を行うタイプ(VCタイプ)と
 可変抵抗を外付けして調整を行うタイプ(抵抗外付けタイプ)があります。
 それぞれの回路接続例を以下に示します。

 −VCタイプの回路接続例
 −抵抗外付けタイプの回路接続例
( +5.0Vdd の場合の例 )

( +5.0Vdd の場合の例 )

    
※ より安定度を得るためにはVdd用電源と
  VC用電源を別電源にすることが有効です。

※ VCタイプの場合は
『20kΩ以上』 の値のポテンショメータを
  用いて下さい。
※ 調整端子へポテンショメータを接続し周波数調整を行います。
  ポテンショメータ は多回転のものをお勧めします。

※ 抵抗外付けタイプの場合は
『10kΩ』のポテンショメータを
  用いて下さい。それ以外の値の場合はセンター調整が
  出来なくなる場合があります。


 −周波数調整幅について

OCXOの周波数調整幅は、±2.5ppm以上または±4.0ppm以上の規格になっています。
±2.5ppm以上の場合は幅で | 5ppm | 以上、±4.0ppm以上の場合は | 8ppm | 以上になります。

仮に5回転のポテンショメータだった場合、

 ・ ±2.5ppm以上の場合は、1回転当り:1.0ppm以上
 ・ ±4.0ppm以上の場合は、1回転当り:1.6ppm以上

仮に10回転のポテンショメータの場合は、

 ・ ±2.5ppm以上の場合は、1回転当り:0.5ppm以上
 ・ ±4.0ppm以上の場合は、1回転当り:0.8ppm以上

となります。
調整のし易さを考慮すると、10回転以上のものをお勧めします。



 (2) 周波数調整 につい

OCXOには全数以下のデータが添付されます。
( +3.3Vdd, OCXOWT-AV3-40MHz の場合 )
(クリックすると拡大します)

上記は +3.3Vdd の OCXOWT-AV3-40MHz の場合のデータです。
+3.3Vdd のVCタイプのOCXOの場合は、周波数センターとなる調整電圧が+1.3V前後になる
設計になっていますので、VC=+1.3V での値を測定し(Fo)、周波数調整の上下限(VC=0.0V, +3.3V)
の測定を行っています。

各タイプでの 制御範囲 と 周波数センターの ターゲット値は以下になります。

タイプ +5.0Vdd
VCタイプ
+3.3Vdd
VCタイプ
+5.0Vdd
抵抗外付タイプ
+3.3Vdd
抵抗外付タイプ
制御範囲 制御電圧
+0.5V〜+5.0V
制御電圧
+0.0V〜+3.3V
外部可変抵抗
0Ω〜10KΩ
外部可変抵抗
0Ω〜10KΩ
センター
ターゲット値
+2.0V前後 +1.3V前後 2KΩ前後 2KΩ前後


上記の出荷検査データの一番上の値 ( Lot : 1042 / Ser.31 のデータ) を使って、
エクセルのグラフ機能で近似曲線を加えると以下のグラフになります。


この Ser.31 の場合は +1.3V 時の周波数はややマイナス目であり、周波数をセンターに合わせるには、VC=+1.5V
程度にするのが良いことが分かります。

ただしOCXOにはいくつか他の周波数変動要因 (起動特性など) があるため、単純に VC=+1.5V に合わせるのではなく、リファレンス周波数に基づいて、実際の出力周波数を見ながら調整を行う必要があります。




 (3) 周波数起動特性 について

以下に実際に <SCOCXOVT-AV5-10MHz> での起動時の周波数変動を測定したデータの例を示します。


< 起動〜60秒 までの実測例 > 周波数軸/1目盛り:1*E-7 < 起動〜1時間までの実測例 > 周波数軸/1目盛り:1*E-8

上記のページに参考データがあります通り、OCXOは電源を入れてから安定状態に入るまでの時間があります。
時間が経てば経つほど 僥/t が小さくなり周波数が安定します。

この周波数が安定して行く過程は徐々に安定度が上がるふるまいになります。
(±1ppmレベル → ±0.1ppmレベル → ±0.01ppmレベル と徐々に安定します)

小型14ピンOCXOの場合は上記のデータ からもお分かり頂けるように周波数が高いところからスタートし、30秒足らず 1*E-7 レベルに
到達します(内部のヒータが暖まった状態になります)。その後、徐々に安定度を増しながら収束していきます。
後述の周波数経年変化と合わせてご参照下さい。

ただし、OCXOには短いスパン( 1分〜24時間程度まで)で見た周波数変動と、長いスパンで見た周波数変動
(1週間〜1年間など) があり、電源投入後から30日経過までの周波数の挙動と、それ以降の挙動は異なることが
多々あります。 この挙動には個体差があり、比較的早く落ち着くものや、長い時間がかかって落ち着くものもあります。
あくまで規格内での挙動で個体差がありますが、この挙動には再現性があり、一旦電源を落とし、数日経過後に
再度電源を投入すると、高い確率で各個体ごとの前回と同じような挙動が現れます。

求める周波数精度によりますが、ある程度の時間をかけて連続通電した後に調整することが必要です。



 (4) 消費電流について


・起動時の消費電流

   以下に実際に <SCOCXOVT-AV5-10MHz> での起動時の消費電流の変動を測定したデータの例を示します。
< 起動〜60秒 までの実測例 > < 起動〜1時間までの実測例 >

  上記の起動時の消費電流のデータは常温時でのデータです。
  周囲温度により突入電流の時間の長さが変わり、定常時の消費電流が変わってきます。

・定常時の消費電流と周囲温度の関係

  定常時の消費電流は周囲温度に反比例します。



(5) 周波数経年変化 について



以下に実際に一年間の周波数変動を測定したデータを示します。

この測定を行った個体では、電源投入後から15日目あたりまでの変動が大きく、その後15日〜30日でやや動いた後に
極めて安定した状態となり、それ以降はほとんど変動していません。
この電源を投入してから 15日、30日までの挙動は、一旦電源を落とすと、再度同じような挙動となります。
(瞬断などの場合は除く)

このことからOCXOの上手な使い方として 『一旦電源を投入した後は電源を落とさない 』 ことが安定した
周波数につながることがお分かり頂けるかと思います。




(6) 周波数の再現性について

下のグラフはOCXOの再現性試験を行った際のデータです。
電源を投入し、30分/1時間/3時間/6時間/24時間後に周波数測定を行い、
その後24時間電源を落とし、再度電源を投入し 同様に周波数測定を行います。
これを10回繰り返し行いました。3つのサンプルでのデータを以下に示します。
周波数の単位は <1*E-8> です。





データから多少の差はありますが 『起動時の挙動(グラフの線の傾き)』 については再現性が見られるのが
お分かり頂けると思います。

ただし繰り返し電源OFF/ON時に到達する周波数 については上、中央、下 のもので差が出ています。
これが 『周波数の再現性』 になります。

この周波数の再現性については個体差があり、小さいものは繰り返し行っても小さく、大きいものは
繰り返しても大きくなる傾向があります。一般に再現性の良いもの(差が小さいもの)は経年変化も小さく、
再現性の大きいものは経年変化も大きくなる傾向にあります。


この再現性についてはOCXOの電源のOFF/ONが無い限りは発生しませんので
やはり 『一旦電源を投入した後は電源を落とさない 』 方が有利になります。




 (7) 周波数温度特性/ヒステリシ


OCXOの周波数温度特性・ヒステリシスの実測例を以下示します。


 水晶発振器は繰り返し温度特性の測定を行うと、わずかにヒステリシスが生じます。
 このヒステリシスは発振器の設計や種類によって異なりますが、OCXOの場合は恒温槽
 にて発振回路部分の温度変化は少なく抑えられているため、温度補償型の発振器(TCXO)
 などに比べて、温度特性のみならずヒステリシスもより優れています。
 


 (8) 電源と位相ノイズの関係

  
(左: E3620A電源での測定結果 /右:U80001A 電源での測定結果/同じ測定試料にて )
画像クリックで拡大します

位相ノイズは電源の特性の影響を受けます。
上記のデータは、同じOCXOを用いて同じ接続回路で電源のみ変えたものです。
この比較では10Hzオフセットの部分で 7dB近い差分が見られます。
近傍部分は測定時の振動などで影響を受けてしまう場合もありますが、繰り返し同じ結果が得られる場合は
右側の U80001A電源を用いた場合では、キャリア近傍の低めの周波数の部分で電源のノイズ特性が高い可能性があります。

※ ユーザー様の基板等に組み込んだ状態での位相ノイズの測定サービスもを行っています(有償)。
  お気軽にご相談ください。


 (9) OCXOの設置 について


OCXOの設置方法については以下の重要なポイントがありますのでご参考にされて下さい。

◆ ファンなどの風の影響を受けない場所に設置すること。
  風が当たる位置では周波数が不安定になりやすくなります。

◆ ある程度熱のこもる環境のほうが望ましい(周波数が安定しやすくなる)。

◆ 取り付けの向きは問いませんが、一旦取り付けた後は方向を変えると重力の影響で
  周波数が変動する場合があります( 1*E-9 レベルと ごく僅かな値です)。



※ その他、ご不明な点がございましたらお気軽にお問い合わせ下さい。



 高安定SMDタイプ SCカットOCXOの使い方ガイド
 ※ Rakonl社の高安定SMDタイプOCXOについてのご使用ガイドです。

 (1) 接続回路ついて

  RAKON社のSCカットの高安定OCXOには <VREF>端子があり、<VC>端子に制御電圧を与えるための
 安定したDC電圧が出力されています。一般的にポテンショメーターを用いて周波数調整を行います。

 −周波数調整回路接続例

  

  ※ ポテンショメータは『20kΩ』以上の値のものをご使用下さい。
    1回転のものよりも多回転のものの方が調整がしやすくなります。
    パスコンについては、より位相ノイズの良い特性を出したい場合には
    使用される電源のノイズとの兼ね合いで必要に応じて異なる定数のものを
    複数個接続されるとより良い結果が得られます。


 −周波数調整幅について

超高安定OCXOの周波数調整幅は、±0.5ppm以上の規格になっています。
±0.5ppm以上なので可変幅の範囲は | 1.0ppm | 以上になります。

仮に5回転のポテンショメータだった場合、

 ・±0.5ppm以上の場合は、幅で | 1.0ppm | 以上なので1回転当り:0.22ppm ( 200ppb)以上

仮に10回転のポテンショメータの場合は、

 ・±0.5ppm以上の場合は、 幅で | 1.0ppm | 以上なので1回転当り:0.1 ( 100ppb) ppm以上

となります。
調整のし易さを考慮すると、10回転以上のものをお勧めします。
値は 『20kΩ以上』 のものをご使用ください。


(2) 周波数の再現性について

下のグラフは<STP3113LF-10MHz>の再現性試験を行った際のデータです。
電源を投入し、30分/1時間/3時間/6時間/24時間後に周波数測定を行い、
その後24時間電源を落とし、再度電源を投入し 同様に周波数測定を行います。
これを繰り返し行います。3つのサンプルでのデータを以下に示します。
周波数の単位は <1*E-9> です。


  ※ SCカットOCXOの特性により、若干の個体差はありますが、 E-9 レベルの再現性があります。




 SCカット超高安定タイプOCXOの使い方ガイド 〜 それぞれの特性について
 ※ RAKON社の高安定SCカットOCXOについてのご使用ガイドです。

     (1)接続回路について

     (2)出荷時添付データについて

     (3)周波数起動特性について

     (4)消費電流について

     (5)周波数経年変化について

     
(6)周波数の再現性について

     (7)周波数温度特性について

     (8) 位相ノイズについて (位相ノイズ測定サービスも行っています )

     (9) OCXOの設置(配置場所)について

 (1) 接続回路ついて

  RAKON社のSCカットの高安定OCXOには <VREF>端子があり、<VC>端子に制御電圧を与えるための
 安定したDC電圧が出力されています。一般的にポテンショメーターを用いて周波数調整を行います。

 −周波数調整回路接続例

  

  ※ ポテンショメータは『20kΩ』以上の値のものをご使用下さい。
    1回転のものよりも多回転のものの方が調整がしやすくなります。
    パスコンについては、より位相ノイズの良い特性を出したい場合には
    使用される電源のノイズとの兼ね合いで必要に応じて異なる定数のものを
    複数個接続されるとより良い結果が得られます。。


 −周波数調整幅について

超高安定OCXOの周波数調整幅は、±0.3ppm以上の規格になっています。
±0.3ppm以上なので可変幅の範囲は | 0.60ppm | 以上になります。

仮に5回転のポテンショメータだった場合、

 ・±0.3ppm以上の場合は、幅で | 0.60ppm | 以上なので1回転当り:0.12ppm (120ppb)以上

仮に10回転のポテンショメータの場合は、

 ・±0.3ppm以上の場合は、 幅で | 0.60ppm | 以上なので1回転当り:0.06 (60ppb) ppm以上

となります。
調整のし易さを考慮すると、10回転以上のものをお勧めします。
値は 『20kΩ以上』 のものをご使用ください。

 (2) 出荷時添付データにつ

OCXOには全数以下の弊社での出荷時検査データが添付されます。
<STP3091LF-10.000MHz> の場合




 (3) 周波数起動特性 について

以下に実際に <ST3091LF-10MHz> での起動時の周波数変動を測定したデータの例を示します。


< 起動〜1時間 までの実測例 > 周波数軸/1目盛り:1*E-9/室温での測定 (左と右でOXOのシリアルが異なります)

上図のデータの通り、OCXOは電源を入れてから安定状態に入るまでの時間があります。
時間が経てば経つほど 僥/t が小さくなり周波数が安定します。

<STP3091LF-10.000MH>の場合、5分程度で 5〜10E-9 程度までに落ち着き、その後徐々に周波数が収束していきます。

あくまで規格内での挙動で個体差がありますが、この挙動には再現性があり、一旦電源を落とし、数日経過後に
再度電源を投入すると、高い確率で各個体ごとの前回と同じような挙動が現れます。

求める周波数精度によりますが、ある程度の時間を連続通電した後に調整することが必要です。



 (4) 消費電流について


・起動時の消費電流

   以下に実際に <STP3091LF-10MHz> での起動時の消費電流の変動を測定したデータの例を示します。
< 起動〜1時間までの実測例 > 1目盛り: 50mA/室温での測定 (左と右でOXOのシリアルが異なります)

  上記の起動時の消費電流のデータは常温時でのデータです。 
 室温環境の場合は5分足らずで定常時電流に落ち着きます。
 消費電流は周囲温度環境により変わり、低温時では多く、高温時では少なくなります。



(5) 周波数経年変化 について



以下<STP3091LF-10.000MHz> の起動〜11日間の周波数変動を測定したデータを示します。
( DUT数=6台 )

<STP3091LF-10.000MHz> は電源投入後、安定域に入るまでの時間が短く、長期安定度の規格では 『電源投入後:14日の値を基準として』となっていますが、
評価サンプルでは数日で 『1E-10以下/1日』 の規格に達しています。 この傾向は他のサンプルでも同様です。




(6) 周波数の再現性について

下のグラフは<STP3091LF-10MHz>の再現性試験を行った際のデータです。
電源を投入し、30分/1時間/3時間/6時間/24時間後に周波数測定を行い、
その後24時間電源を落とし、再度電源を投入し 同様に周波数測定を行います。
これを繰り返し行います。3つのサンプルでのデータを以下に示します。
周波数の単位は <1*E-9> です。









<STP3091LF-10.000MHz> では再現性の仕様は 『5E-9以下』 となっていますが
実力値からはかなり余裕を見た仕様となっています。





 (7) 周波数温度特性


<STP3091LF-10.000MHz> の周波数温度特性の実測例を以下示します。
同じサンプルで2回測定を行ったデータです。

<1回目>


<2回目>

 グラフ内のピンク色のラインが周波数です。紺色のラインは恒温槽の設定温度を示しています。
 +25℃→+70℃→0℃→-20℃→+25℃ の温度テーブルでの測定ですが、いずれも開始時の+25℃と
 終了時の+25℃の時の周波数に経時変化によるわずかな違いが見られます。
 
 


 (8) 位相ノイズについて

以下に<STP3091LF-10MHz>の位相ノイズの実測例を示します。

  

  グラフ内の水色のラインが仕様値を示します。 青色のラインが実測値です。
  実力値に対して仕様値はかなり余裕を見た値であり、測定した25台全て同じ傾向であり Typ.値と思われます。
  10Hzオフセット時:-135〜-140dBc/Hz, フロア 10kHzオフセット時:-160〜-165dBc/Hz という
  超低位相ノイズになっています。

※ ユーザー様の基板等に組み込んだ状態での位相ノイズの測定サービスもを行っています(有償)。
  お気軽にご相談ください。



 (9) OCXOの設置 について


OCXOの設置方法については、14ピンタイプのOCXOと同様ですが
以下の重要なポイントがありますのでご参考にされて下さい。

◆ ファンなどの風の影響を受けない場所に設置すること。
  風が当たる位置では周波数が不安定になりやすくなります。

◆ ある程度熱のこもる環境のほうが望ましい(周波数が安定しやすくなる)。

◆ 取り付けの向きは問いませんが、一旦取り付けた後は方向を変えると重力の影響で
  周波数が変動する場合があります( 1*E-9 レベルの変動があります)。



※ その他、ご不明な点がございましたらお気軽にお問い合わせ下さい。

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