高穩定度晶體振蕩器頻率溫度特性改善的研究

張濤杰

摘要：此次研究主要結合恒溫晶振技術，分析高穩定度晶體振蕩器改善頻率溫度特性的相關問題。

關鍵詞：高穩定度；晶體振蕩器；頻率溫度特性；改善方案

近些年，通信行業和軍工方面的發展和需求逐漸遞增，促使精密晶體和原子頻標的需求也是與日俱增。正是這種實際的需要，讓晶體振蕩器受到廣泛關注。石英晶體振蕩器就是現階段精準度和穩定度最高的振蕩器，因此相較于其他的振蕩器來說，這種振蕩器的發展具有很大的市場影響力[1]。但是受到晶體振蕩器本身的質地的影響，使其在出廠和校準之后，伴隨著時間的推移，加之外界環境的影響，嚴重影響了晶體振蕩器的頻率值，從而導致頻率的準確度和穩定度的誤差逐漸增大。晶體振蕩器作為一種通信設備，其具體的頻率穩定度往往決定了設備的頻率變化情況，如果通信系統的頻率不穩定，將會嚴重影響到通信的質量，導致測量儀器的頻率不穩定，還會出現較大的誤差。尤其是在近些年，空間技術的迅速發展，使得振蕩器頻率的穩定度要求越來越高，由此看出研究高穩定度晶體振蕩器頻率溫度特性至關重要[2]。

一、晶體振蕩器的重要價值

晶體振蕩器的應用價值明顯，因此需要準確分析各種晶體振蕩器對頻率溫度特性改善的具體過程，明確高穩定度晶體振蕩器的應用意義。在電子線路中，振蕩器并不依靠著外界信號的激勵作用，而是自身把直流電能轉變為交流電能的一種裝置，同時也不會受到激勵信號的影響，從而產生周期性震蕩信號的電子線路。晶體振蕩器經歷了從無線電發明初期然后運用火花發射機和電弧發生器等一系列的設備，再經過電子管和晶體管等器件，經過LCR等元件共同組合而成的振蕩器[3]。現階段，各種各樣的振蕩器在電子技術領域的應用愈加廣泛，例如廣播、電視和通信設備等，同時也在國防軍工和航天航空等高科技領域受到重視。

二、振蕩電路的設計

（一）晶體諧振器的選取過程

由于AT切型晶體諧振器體現出良好的頻率溫度特性，同時也能在寬溫環境之下，將溫度的頻差縮小，并且保證兩個零溫度系數點可以落在大氣環境溫度的范圍之內。所謂高穩定度晶體振蕩器主要是選用了30MHz的小公差AT切型基頻石英晶體，相應的溫度頻差保持在正負20ppm以內[4]。（此處表述的是AT切型基頻石英晶體，其溫度頻差始終保持在±20ppm以內）

（二）振蕩電路的概述

分析振蕩電路原理框圖（如圖1），可以發現主振級電路和自動增益控制電路等共同組合而成。具體的功能就是在晶體諧振器的具體參與下，適當的將直流電轉變為交流電，從而讓這種交流電始終保持著一定的幅度和穩定性。根據實際的改進標準，可以利用集成CMOS反相器振蕩電路作為主振級電路，由此選頻放大電路，然后通過抑制其他雜波信號的方式，選擇了放大晶體的工作頻率，為了確保電路始終保持穩定狀態，輸出的信號更加純凈，還應該適當的增加負載隔離，保證更好的貼近實際需求。

（三）主振級電路

環境溫度的變化可以對晶體振蕩器的頻率值帶來影響，國內外針對此方面的研究層出不窮，重點提出了溫補晶振和恒溫晶振兩種方式。溫度補償晶體振蕩器的整個設計系統能否更好的維持穩定的狀態，并且始終以穩定的狀態運行，最為關鍵的就是取決于主振級電路設計性能的好壞，只有主振電路性能始終保持完好，才能合理的補償諧振器頻率溫度特性，從而讓其他各部分性能發揮出實際的價值。

三、恒溫晶體振蕩器

（一）恒溫晶體振蕩器的設計問題

1）精密恒溫槽的設計。

恒溫晶體振蕩器在所有晶體中頻率溫度的穩定性較高。所以需要使用結構完善且控溫性能良好的精密恒溫槽確保石英諧振器和相關電器元件更適于恒溫槽中，尤其是保證石英諧振器的溫度穩定在相應的拐點處，從而發揮出拐點周邊石英諧振器的頻率溫度系數小的相關特性[1]。在設計精密恒溫槽的時候，需要先設計單層恒溫槽控制晶振，然后適當的改進相應的方案，利用雙層恒溫槽控制好晶振，保證溫度對頻率的影響逐漸降到最低，恒溫槽內的溫度應該控制于0.001攝氏度的范圍之內，體現出較高的控制精度，從而提升了頻率的穩定度。

2）控溫電路的設計。

恒溫晶體振蕩器的關鍵設計就是利用溫度合理控制電路，優良的溫度控制電路，需要保證高精度的控溫過程，同時還應該注重控溫的穩定性[2]，具備較強的抗干擾能力，由此體現出高精度、抗老化和一致性優良的特點，保證在使用的過程中更加方便，便于調試電路并控制好精度。

3）振蕩電路的設計。

在設計恒溫晶體振蕩器的過程中，除了必要的恒溫槽和控溫電路的設計，還應該重視晶體振蕩器本身振蕩電路存在的穩定性和抑制噪聲的能力[3]，這將直接影響到高穩定度晶振設計的過程。

（二）恒溫晶體振蕩器的設計理念

依照以往的經驗，在電路設計的過程中，應該重視結構合理、布局周全，注意晶體振蕩器的外形尺寸符合精致的標準。綜合分析晶體的美觀和外形尺寸的有限，應該適當的將控溫電路和振蕩電路適時的布于PCB版的頂層和底層，這樣可以有效的節省空間，保證感溫元件充分發揮出實用價值，確保其緊貼晶體諧振器，放置于功率管和晶體之間。通過常溫下的開機過程，可以及時測試出晶振的各項性能指標，通過相應的實驗結果證明，恒溫晶振輸出頻率溫度穩定度始終保持在0.2bbp以內。（此處表述的是恒溫晶振輸出頻率溫度穩定度需保持在0.2bbp以內）

四、結語

此次研究重點分析了晶體振蕩器頻率溫度特性改善的相關問題，通過結合相關的材料分析，明確了頻率溫度特性改善不同方法的優勢和特性，經過適當的分析和總結，從恒溫晶體振蕩器的角度上，了解了高穩定度晶體振蕩器對改善頻率溫度特性的幫助。

參考文獻：

[1]白麗娜，周渭，李婉瑩，張瑩，陳鴻杰.基于應力處理的溫度補償石英晶體振蕩器[J].儀器儀表學報，2014，07：15941599.

[2]屈八一，宋煥生，周暉，李珊珊，孟強.基于變頻補償技術改善銣鐘的頻率溫度特性[J].儀器儀表學報，2013，11：24012407.

[3]鄧志鵬，陳向東.石英晶體振蕩器的微處理器溫度補償技術研究[J].單片機與嵌入式系統應用，2012，08：47.

[4]鄭浩哲，孫剛，劉建東.數字溫補晶體振蕩器補償參數測試系統設計[J].沈陽理工大學學報，2010，04：3337.