在石英晶體頻率元件中，晶體諧振器（XTAL）、振蕩器（XO）應用非常廣泛，長期穩定性可與原子鐘媲美的馴服晶振（Disciplined Oscillator，DO）并不為大家所熟悉。隨著5G及自動駕駛應用的普及，使用GPS作為馴服的馴服晶振（GPSDO）應用將會越來越多。

以下芯齊齊基于對原廠產品數據的統計分析，介紹馴服晶振的技術原理、產品參數和應用等基礎知識。

1. 工作原理

GPSDO是目前最值得信賴和精準的時鐘源之一，結構一般由一個高穩定度的晶體振蕩器和一個GPS接收器組成，因此也稱作GPS馴服晶振（GPSDO）。

工作時，GPSDO以GPS/BDS接收機輸出的秒脈沖信號為參考信號，通過信號追蹤環路校正補償恒溫晶振（OCXO）的頻率偏移，在不破壞晶振短期穩定性的前提下，把OCXO晶振的輸出信號從10?7量級馴服到GPS設備或GNSS衛星信號的10^?12級別。

圖1.馴服晶振的守時精度

GPSDO的工作原理類似鎖相環（PLL），有些GPSDO還在采用PLL電路，大多數GPSDO已經通過MCU取代了PLL，來實現對頻率、溫度和其他環境參數的補償。GPSDO的魅力在于GPS信號與石英晶振的完美組合。這里，GPS接收器提供出色的長期穩定性，但是其短期穩定性卻被很多因素淹沒了：如參考計時電路的內部分辨率即每秒單脈沖（1PPS）、信號傳播效應（如多徑干擾）、大氣環境等。這些正好是現有高質量晶振（如OCXO）的主場，眾所周知的是，OCXO具有較好的短期穩定度，但是暴露在熱、老化和其他長期環境中。這樣，將GPS接收器與OCXO集成在一體的GPSDO晶振就是一個具有良好的短期穩定度和長期穩定度的高穩定性晶振器件，其輸出信號可精準到納秒（ns）級別，頻率精度和長期穩定度可達到皮秒級（10^-12），這對要求十分精準時間信號的衛星導航應用很有用。

2.性能參數

通過內建GPS接收模塊，馴服晶振（GPSDO）可選擇以GPS或1pps作為馴服信號，通過馴服鎖定達到原子鐘級的準確性與穩定度，相位誤差控制在ns(RMS)以內。

圖2. GPSDO晶振參數

與傳統GPS-OCXO參考方案相比，GPSDO具有絕對的價格和性能優勢。與原子鐘相比，GPSDO具有較高的性價比。這些參數包括：（1）守時精度：一般為納秒級，（2）馴服相位精度：一般為幾十ns RMS。（3）功耗：一般1W左右。（4）馴服輸入：內建GPS接收，還可選擇外部1pps輸入馴服。（5）輸出：GPS NMEA，10MHz CMOS，1pps CMOS。（7）外形，小尺寸，應用更有彈性。

圖3.采用TCXO的GPSDO馴服晶振及引腳

為了降低成本，一些廠家開始使用高性能溫補晶振（TCXO）來取代恒溫晶振（OCXO），這樣獲得了較高的性價比，功耗可低至0.6W以下。3.典型應用隨著5G智能終端的大規模普及，GPSDO應用場景越來越多，如雷達、衛星和關鍵基礎設施等多種環境下的定時和定位，以及測試測量設備的參考時鐘。

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