一種超穩(wěn)晶體振蕩器的設(shè)計與實現(xiàn)

曾志林，韓振杰，蔣松濤

(1.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094；2.成都天奧電子股份有限公司，四川 成都 611731)

一種超穩(wěn)晶體振蕩器的設(shè)計與實現(xiàn)

曾志林1，韓振杰1，蔣松濤2

(1.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094；2.成都天奧電子股份有限公司，四川 成都 611731)

基于超穩(wěn)晶體振蕩器在導(dǎo)航、衛(wèi)星、通信、雷達和測繪等領(lǐng)域快速增長的應(yīng)用需求，通過對各項影響晶振穩(wěn)定性的因素進行了分析，提出了基于低噪聲振蕩及高精度控溫設(shè)計相結(jié)合的方法，進行超穩(wěn)晶體振蕩器設(shè)計。測試結(jié)果表明，設(shè)計實現(xiàn)的10 MHz超穩(wěn)晶體振蕩器相噪指標(biāo)可達到-110 dBc/Hz@1 Hz，老化率可達到±2×10-10/天，在-40～70 ℃，頻率溫度穩(wěn)定性達到±5×10-10，穩(wěn)態(tài)功耗優(yōu)于2 W(@25 ℃)。該晶體振蕩器具有工作溫度范圍寬、低相噪、高穩(wěn)定度和低功耗的優(yōu)良特性。

晶體振蕩器；超穩(wěn)；低相噪；老化率

0 引言

晶體振蕩器是電子設(shè)備中的關(guān)鍵器件之一，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、通信、雷達和測試測量等系統(tǒng)中[1]。例如，在衛(wèi)星導(dǎo)航定位中，高準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的晶振可用于有效測定碼序的起點、實施導(dǎo)航，并通過測定信號到達的時間確定接收機的位置，從而實現(xiàn)定位。同樣，在通信中也需要精密的頻率源，特別是對于頻譜管理和跳頻通信，更需要精密頻率控制。晶體振蕩器的改進能降低跳頻系統(tǒng)對于智能干擾機的抗干擾性，并改進在戰(zhàn)場確定無線電發(fā)射機位置的能力。

晶體振蕩器在近10年中得到長足發(fā)展，其中在高穩(wěn)晶體振蕩器的研究開發(fā)與生產(chǎn)方面，日本及歐美仍居領(lǐng)先和主宰地位。我國的晶振研制和生產(chǎn)水平在近年來得到了迅速的發(fā)展，但在穩(wěn)定性指標(biāo)、體積和功耗等方面，仍與國際先進水平存在較大差距[2]。因此，開發(fā)具備優(yōu)良的短期穩(wěn)定度(即相位噪聲)、長期穩(wěn)定度(即老化率)、頻率溫度穩(wěn)定性以及小體積、低功耗的超穩(wěn)晶體振蕩器，對于促進國內(nèi)電子業(yè)水平的發(fā)展，具有重大的社會意義。

1 超穩(wěn)晶體振蕩器技術(shù)途徑

目前國內(nèi)外高穩(wěn)定晶振的研制途徑主要有以下3種：精密控溫方式、低噪聲振蕩方式和泛音振蕩結(jié)合倍頻的方式[3]。

1.1 精密控溫方式

根據(jù)控溫的方式可將恒溫晶振分為單層控溫恒溫晶振和雙層控溫恒溫晶振，前者使用一個控溫槽對晶體諧振器及振蕩電路進行恒溫控制，后者使用2個控溫槽和2個控溫電路對晶體以及晶振內(nèi)部電路進行恒溫控制[4]。雙層控溫具有更高的控溫精度，但也帶來體積增加、功耗增大和結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜度增加等問題[5]。恒溫晶振的控溫精度主要由控溫電路靈敏度、熱結(jié)構(gòu)設(shè)計以及元器件的溫度系數(shù)等共同決定[6]。

1.2 低噪聲振蕩方式

低噪聲振蕩需要從電源電路噪聲的處理、低噪聲振蕩電路的設(shè)計以及低噪聲放大電路的設(shè)計等多個方面進行考慮，任何一個方面噪聲的惡化都會引起晶振最終輸出信號噪聲的惡化[7]。因此，低噪聲振蕩需要從電路形式、電路參數(shù)及電路布局等多個方面入手，使得晶振獲得優(yōu)良的相位噪聲指標(biāo)。

1.3 泛音振蕩結(jié)合倍頻的方式

由于基頻晶體諧振器(以下簡稱“晶體”)頻率溫度特性及老化率通常比泛音晶體差約半個數(shù)量級[8]。如10 MHz頻率基頻SC切晶體在拐點±1 ℃，頻率溫度穩(wěn)定度可優(yōu)于±5×10-8，而10 MHz頻率3次泛音SC切晶體(基頻3.333 MHz)則可優(yōu)于±1×10-8。因此，在超穩(wěn)晶振研制方面，大多采用泛音晶體，振蕩電路采用倍頻等方式進行研制[9]。由于5次及以上低頻SC切泛音晶體研制較為困難，容易導(dǎo)致晶體電阻變大和Q值下降，使得晶振出現(xiàn)起振困難和相位噪聲惡化等情況。因此，需要選擇合適的泛音次數(shù)，并結(jié)合倍頻技術(shù)以達到較好的電性能指標(biāo)。

2 超穩(wěn)晶振技術(shù)設(shè)計

基于對超穩(wěn)晶振技術(shù)途徑的分析，其具有低相位噪聲、低短期頻率穩(wěn)定度、低日老化率和高頻率溫度穩(wěn)定性的特點[10]。低相位噪聲和低短期頻率穩(wěn)定度分別是對晶振輸出信號短期穩(wěn)定性指標(biāo)的頻域和時域的表征，可以通過式(1)進行轉(zhuǎn)換：

(1)

式中，δy(τ)為短穩(wěn)(阿倫方差)；Sy(f)為單邊帶相位噪聲[11-12]。

因此，短期頻率穩(wěn)定度可以通過進行相位噪聲測試后，對噪聲曲線進行積分換算得到。從原理上分析，影響短期頻率穩(wěn)定度的因素諸多，主要由振蕩回路的參數(shù)不穩(wěn)定導(dǎo)致[13]；而回路參數(shù)的不穩(wěn)定則主要由振蕩環(huán)路的Q值(包括晶體的絕對Q值以及振蕩電路的有載Q值)、環(huán)境條件變化(溫度、振動等)、負載變化、電源波動及噪聲、元器件噪聲和電路噪聲等引起[14]。

晶振的日老化率主要受晶體諧振器的參數(shù)和工藝影響較為明顯，同時，電路激勵參數(shù)也會在一定程度上影響到晶振的日老化率[15]。

高頻率溫度穩(wěn)定性對控溫精度要求很高，需要對控溫電路及恒溫結(jié)構(gòu)都進行優(yōu)化設(shè)計，高頻率溫度穩(wěn)定性必然要求控溫電路的靈敏度提高，但控溫電路靈敏度的過高又會造成控溫區(qū)域波動頻繁影響到短期頻率穩(wěn)定度指標(biāo)。因此，精密控溫電路合理的參數(shù)設(shè)計對超穩(wěn)晶振設(shè)計也非常重要。

綜合以上分析，采用高Q低老化泛音晶體、低噪聲振蕩及倍頻設(shè)計和高精密控溫設(shè)計的技術(shù)手段，設(shè)計滿足性能指標(biāo)要求的超穩(wěn)晶體振蕩器。

3 超穩(wěn)晶振技術(shù)實現(xiàn)

3.1 晶體選擇

晶體作為晶振的核心組成部分，其性能在很大程度上決定了晶振的性能指標(biāo)。本文超穩(wěn)晶振對晶體的Q值、老化率等具有嚴(yán)格要求，綜合分析，選擇HC-37U真空冷壓焊封裝的SC切3次泛音晶體，晶體頻率選擇5 MHz，以倍頻方式實現(xiàn)10 MHz超穩(wěn)晶體振蕩器的設(shè)計。

3.2 低噪聲電路設(shè)計

晶體振蕩器的低噪聲設(shè)計主要包含了振蕩電路的低噪聲設(shè)計、放大電路的低噪聲設(shè)計和穩(wěn)壓電路的低噪聲設(shè)計。

因為晶振的短期頻率穩(wěn)定度與晶振的相位噪聲是密切相關(guān)的，根據(jù)Lesson模型的低相噪設(shè)計原則，要降低相位噪聲，很關(guān)鍵的一條就是要提高晶體在電路的有載Q值[16]。選擇考必茲電路作為振蕩電路，但傳統(tǒng)的考必茲振蕩電路由于信號從反饋回路輸出，造成負載特性較差，導(dǎo)致電路穩(wěn)定性下降，同時相位噪聲一致性較差。采用改進型考必茲電路如圖1所示。

圖1 改進型考必茲振蕩電路交流等效電路

改進型考必茲振蕩電路充分利用了考必茲電路結(jié)構(gòu)簡單、易于設(shè)計和調(diào)試的優(yōu)點，同時振蕩信號直接從石英諧振器引出，充分利用了石英晶體的選頻特性，以提高電路的穩(wěn)定性。在設(shè)計過程中，可以通過合理選擇晶體管偏置元件值，將三極管置于低噪聲工作點，在滿足噪聲指標(biāo)的前提下，盡量降低電路激勵，以提高產(chǎn)品的老化率和可靠性。

主振電路后采用二級放大倍頻電路進行信號倍頻放大，在一級放大電路后采用帶通濾波器進行信號選擇，濾除不需要的信號分量后進行選頻放大，二級放大電路采用帶通濾波器濾除不需要的信號分量后輸出，同時濾波器的參數(shù)選擇需要考慮到各級電路之間的匹配，以獲得更好的電路噪聲系數(shù)。

穩(wěn)壓電路原理圖如圖2所示。

圖2 穩(wěn)壓電路原理

除振蕩電路外，電源線上的干擾也是噪聲的重要來源。電源線上的噪聲或紋波將使任何振蕩器的相噪性能惡化，因此任一低相噪振蕩器都需要極低紋波和噪聲的電源[17-18]。為保證電源的低噪聲，穩(wěn)壓器件采用低噪聲線性穩(wěn)壓器，噪聲電壓可達到20VRMS，1 kHz處的噪聲水平為40。通過將穩(wěn)壓器輸出端連接到一個低噪聲運放來作為供電單元，可以有效減少電源電壓變化對器件性能造成的影響，顯著降低電源噪聲。

V1提供一個低噪聲參考電壓，通過R1、C1組成的截止頻率低于1 Hz的低通濾波器后，噪聲進一步衰減，參考電壓輸入運放N1，通過V2和反饋電阻(R2、R3)來控制最終輸出電壓。輸出噪聲電壓為：

(2)

3.3 高精密控溫設(shè)計

為保證高的頻率溫度穩(wěn)定度及短期穩(wěn)定度指標(biāo)，在進行控溫結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對熱結(jié)構(gòu)和熱梯度等問題需進行充分考慮[19-20]。

恒溫結(jié)構(gòu)設(shè)計時，將晶體和振蕩電路放置于恒溫槽內(nèi)部，通過功率管對恒溫槽進行加熱，其余電路放置在恒溫槽外部。通過空氣熱阻槽把恒溫槽和其他分隔開來。通過外殼和恒溫槽在控溫區(qū)域外部形成二級熱梯度，盡可能避免恒溫槽控溫區(qū)域內(nèi)部的晶體和振蕩電路受溫度影響。

在控溫參數(shù)設(shè)計時，需對控溫靈敏度等參數(shù)進行合理選擇。控溫靈敏度越高，則控溫電路對于溫度變化響應(yīng)速度增快，但會增加恒溫槽的熱波動，從而降低短期穩(wěn)定性指標(biāo)[21-23]。因此控溫靈敏度設(shè)計需兼顧頻率溫度穩(wěn)定性和頻率短期穩(wěn)定度2個指標(biāo)。

4 實測結(jié)果分析

對設(shè)計的10 MHz超穩(wěn)晶體振蕩器主要指標(biāo)進行了測量，相位噪聲測量采用PN9000相位噪聲測試系統(tǒng)，實際測試曲線如圖3所示。

圖3 10 MHz超穩(wěn)晶振相位噪聲測試曲線

用經(jīng)GPS馴服后的XHTF1003H高性能銣原子鐘作為外部參考源，測量得到晶振的頻率穩(wěn)定度測量結(jié)果，其中短期頻率穩(wěn)定度為1×10-12/s、老化率為±2×10-10/d、頻率-溫度穩(wěn)定性為±5×10-10/-40～+70 ℃。晶振封裝尺寸50 mm×50 mm×20 mm，穩(wěn)態(tài)功耗優(yōu)于2 W(@25 ℃)。實測結(jié)果表明，主要技術(shù)指標(biāo)與國外同類產(chǎn)品相當(dāng)，可等同替代，甚至在功耗方面占優(yōu)(國外同類產(chǎn)品常溫穩(wěn)態(tài)功耗通常大于4 W)。

5 結(jié)束語

針對影響晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度的主要因素，提出了改進型考必茲振蕩電路和高精度控溫結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合的方法。改進型考必茲振蕩電路既充分利用了傳統(tǒng)考必茲振蕩電路的優(yōu)點，同時兼顧了石英晶體的選頻特性，提高了電路的穩(wěn)定性。二級熱梯度恒溫結(jié)構(gòu)的設(shè)計，有效避免了晶體和振蕩電路受溫度的影響，從而保證了頻率溫度穩(wěn)定性和頻率短期穩(wěn)定度指標(biāo)。通過測試驗證，設(shè)計的超穩(wěn)晶振具備了良好的相位噪聲性能及頻率穩(wěn)定度，性能指標(biāo)優(yōu)異，具備很好的應(yīng)用前景。

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Design and Implementation of an Ultra-stable Crystal Oscillator

ZENG Zhi-lin1,HAN Zhen-jie1,JIANG Song-tao2

(1.BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China;2.ChengduSpaceonElectronicsCo.,Ltd.,ChengduSichuan611731,China)

In view of the increasing application requirements of ultra-stable crystal oscillators in navigation,satellite,communication,surveying and mapping etc.,a method for design of ultra-stable crystal oscillator is proposed based on low phase noise oscillators and high precise design for temperature control,after analysis is made on the factors that influence the stability of the crystal oscillators.The experimental results show that the phase noise of the 10MHz ultra-stable crystal oscillator reaches -110 dBc/Hz@1 Hz,and the daily aging rate reaches ±2×10-10/day.Within temperature range of 40～70 ℃,the frequency temperature stability is ±5×10-10,and the steady power consumption is better than 2 W(@25 ℃).The designed crystal oscillator is characterized by wide temperature range,low phase noise,high frequency stability and low power consumption.

crystal oscillator;ultra-stable;low phase noise;aging rate

2017-02-23

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.06.18

曾志林，韓振杰，蔣松濤.一種超穩(wěn)晶體振蕩器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].無線電工程,2017,47(6):75-78.[ZENG Zhilin,HAN Zhenjie,JIANG Songtao.Design and Implementation of an Ultra-stable Crystal Oscillator[J].Radio Engineering,2017,47(6):75-78.]

TN752

A

1003-3106(2017)06-0075-04

曾志林 男，(1974—),工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航。

韓振杰 男，(1976—),工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航。