一種高穩定恒溫晶振的設計

楊紅利

摘要：隨著科學技術的發展，對晶體振蕩器提出了更高的要求，其頻率的穩定性需要有一定程度的提高，要實現這一目標，需要采取有效的措施和手段，所以，對標頻是10MHz的高穩定性的低相噪恒溫晶體振蕩器進行了全面的設計。對晶體振蕩器在短時間中的穩定度進行了充分的研究和分析，從中得出了短時間中穩定度提高的手段和措施，同時，將其分析結果作為重要的依據和參照，開展振蕩電路的設計，接著，對ADS諧波平衡仿真工具進行了充分的應用，對電路參數進行充分的優化，由此得到與預期比較貼合的相位噪聲仿真曲線。并且，將優化的最終參數指導作為重要的依據，設計除了設計的樣品。

關鍵詞：高穩定；恒溫；晶振；設計

在時頻檢測和控制領域中，晶振占據著至關重要的位置，是其使用頻率最高的基礎元件，其具體的應用是提供精密頻率標準和時間基準。對于晶振性能來說，對其有著最重要的影響的是短時間內的頻率穩定度，在此情況下，對晶體振蕩器在短時間中的頻率穩定度進行充分的研究和分析有著很大的必要性。短時間內的頻率穩定度在時域和頻域中有著相應的表征，分別是阿倫方差和相位噪聲。但是，阿倫方差有著一定的劣勢，主要包括計算難度和仿真難度都是比較大的，所以，在本文中，選擇了在時域中進行相應的分析和研究，在頻域中進行仿真操作，那么，就設計出了標頻是10MHz的恒溫晶體振蕩器，并且對其進行了全面的檢測，從中發現，其相位噪聲和短時間內的穩定度都滿足了相應的要求，能夠將其當做穩定的頻率信號源。

一、短時間內的頻率穩定度闡釋

在短時間中頻率穩定度的變化是由相應的因素所導致的，主要包括噪聲等。在此基礎上，如果要得到比較高的短時間之內的頻率穩定度，需要采取有效的措施和手段將電路中的噪聲進行較大程度的降低，并且盡可能使其維持在最低程度。在對晶體振蕩器的相位噪聲進行相應的預測的過程中，對大量的數學模型進行了充分的分析和研究，多種數學模型中有著比較大的優勢的是Leeson模型，其便捷性非常突出，所以，在進行相應的分析和研究的過程中將其作為重要的基礎和依據[1]。在此模型中有著相應的相位噪聲的表達公式：

從此公式中可以發現，要對相位噪聲進行一定程度的降低，需要選擇高有載因數值的晶體。

要提高分析的簡便性，在此情況下，假設放大器中存在的噪聲只有閃變噪聲和白噪聲，可以用相應的公式對放大器中的信號噪聲功率譜密度進行表達：

在此公式中，不同的符號代表著不同的意思，f0、fm、F、K、T、Psi、QL分別代表的是載波頻率、偏離載波頻率、噪聲系數、波爾茲曼常數、絕對溫度、輸入信號功率和有載品質因數[2]。

可以將以上的公式寫成冪級數的形式：

將時域和頻域的轉換關系作為重要的依據和參照，可將其進行相應的轉換，從中可得：

這項公式也就是阿倫方差表達式，把多種噪聲參數帶入到上式中，可以得到：

其中，fh所表示的是測試系統寬帶。

從上式中可以發現，多種噪聲對短時間內穩定度的影響的估算公式：

然后，對短時間內的穩定度進行相應的估算。將10MHz的高溫晶振作為主要的對象，將多種參數帶入其中，通過對以上公式的應用，來對1秒中的短時間內的穩定數據進行相應的估算。對短時間內的穩定度的變化的方向和趨勢進行相應的研究和分析，從而發現對秒級短時間內的穩定度產生影響的因素。

從上表中可以得出，對于秒級短時間內的穩定度產生的影響最大的是閃頻噪聲。當在晶體管發射極串聯相應的負反饋電阻的時候，能夠在一定程度上降低系統的閃變噪聲，所以，可以通過采取有效的措施和手段來的秒級的穩定度進行相應的改善，主要就是選擇增加負反饋電阻的方式。同時，閃變噪聲電平與有載品質因數值基本上是呈現反比的關系的，在此情況下，能夠對高有載品質因數值進行充分的應用，對秒級穩定度進行有效的改善[3]。將上表中的數據作為重要的依據和參照，從中發現，晶體管集電極電流減小的時候，秒級短時間內的穩定度會得到相應的改善，所以，需要從對振蕩管集電極電流的角度入手，對秒級短時間內的穩定度進行有效的改善，不過，從電路設計的角度來說，集電極電流是不可以過低的，如果存在過低的情況，必定會對振蕩器的起振產生重大的影響。

除此之外，對相應的測試經驗進行相應的分析和研究，從中發現，在晶體的激勵不斷增大的時候，秒級短時間內的穩定度不斷惡化，然后利用同樣的方法對晶體振蕩器的毫秒級穩定度進行相應的估算，從中發現，在晶體的激勵不斷增大的時候，毫秒級短時間內的穩定度得到了相應的改善。同時，在頻域中也有著相應的表現，主要就是電路的激勵有所提高之后，相位噪聲近旁有一定程度的惡化，遠端得到相應的改善。圖表中的數據是通過同一個晶振的參數進行估算的，所以，沒有辦法從有載品質因數的角度進行相應的闡釋。

二、測試結果

在仿真操作的過程中得到了相應的數據，將其作為重要的依據和參照，對10MHz恒溫晶振的樣品進行了相應的制作[4]。

（1）通過相位噪聲測試得到相應的結果：當樣品制作出來之后，對相應的信號源分析儀進行充分的應用，由此對樣品進行實際測試，從中可以得到相應的結果。

（2）通過阿倫方差測試得出了相應的結果，這項晶體振蕩器在1秒的短時間內的穩定達到了1.1*1012。

三、結語

通過對本文中的設計結果進行相應的分析和研究，從中可以發現，對振蕩器晶體管的集電極電流和晶體的激勵電流進行科學、合理的設置，為晶體電流的恒定提供重要的保障。同時，在對電路設計的過程中，采取有效的措施在更大程度上降低晶體管的閃變噪聲，從而對晶體振蕩器的短時間內的穩定度進行有效的改善。

參考文獻：

[1]黎榮林，陳萍萍，黎敏強，王雪艷.一種高穩定恒溫晶振的設計[J].電子器件，2016，02：329333.

[2]黎敏強，路烜，趙瑞華，陳中平，王占奎.一種恒溫晶振專用集成電路芯片設計[J].半導體技術，2012，11：832835.

[3]蔣松濤.一種小型超低相噪恒溫晶振的設計[J].壓電與聲光，2015，03：420422+426.