10MHz小型高穩(wěn)恒溫晶振的研究

祁進(jìn)

摘要：恒溫晶振是一種具有優(yōu)良性優(yōu)勢的頻率發(fā)生設(shè)備，被廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代的許多領(lǐng)域中。在我國的經(jīng)常運(yùn)用的恒溫晶振短期的穩(wěn)定度一般控制在10-12/1s量級，在國外的運(yùn)用中恒溫晶振高指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到1×10-12/1s，在目前的運(yùn)用中還沒有達(dá)到這種高指標(biāo)的恒溫晶振，以此對10MHz小型高穩(wěn)恒溫晶振的研究，需要對此進(jìn)行10MHz恒溫晶振工作原理的分析，并且針對分析的結(jié)果提出進(jìn)行短期穩(wěn)定度的改善方法，促使高穩(wěn)晶振研制實(shí)現(xiàn)小型化的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：恒溫晶振；短期穩(wěn)定度；小型高穩(wěn)恒溫晶振研究

恒溫晶振作為一種優(yōu)良性的頻率發(fā)生設(shè)備被廣泛運(yùn)用于我國航天、通信、電子等領(lǐng)域中，運(yùn)用高穩(wěn)恒溫晶振研制的短期穩(wěn)定度促進(jìn)設(shè)備系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定的狀態(tài)，在一定情況下還能夠促進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的提高，在此基礎(chǔ)之上還能夠促使相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)在使用的過程中性能得到大幅度的提升。如：雷達(dá)的使用系統(tǒng)中，能夠提高系統(tǒng)的分辨率；在測距系統(tǒng)中運(yùn)用可以促使最終測距數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度以及在通信設(shè)備中使用還能夠降低誤碼率的發(fā)生。通過對此的研究，促使實(shí)現(xiàn)小型化的高穩(wěn)晶振研制。

一、短期穩(wěn)定度的數(shù)學(xué)表達(dá)

在小型高穩(wěn)恒溫晶振中，對其設(shè)備頻率輸出信號通過數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行展示為：

其中相位起伏φ（t）是在本文中進(jìn)行分析的重要主體，對此進(jìn)行晶振穩(wěn)定度的衡量，就需要運(yùn)用常用的相對頻率穩(wěn)定度進(jìn)行表示，公式如下：

這項公式最主要的體現(xiàn)晶振穩(wěn)定度的時域表現(xiàn)特征，在時域中經(jīng)常運(yùn)用阿倫方差對晶振的頻率穩(wěn)定度進(jìn)行表示：

在這項阿倫方差公式中τ表示進(jìn)行取樣的時間，相對頻率的公式表現(xiàn)為y=Δff，對此進(jìn)行測量是在間隔的τ時間內(nèi)進(jìn)行，（yk+1-yk）是指相鄰的兩次相對頻率的差值，其中m為進(jìn)行測量的組數(shù)。

二、低噪聲恒溫晶體振蕩器設(shè)計

（一）低噪聲主振電路設(shè)計

1）在進(jìn)行低噪聲主振電路進(jìn)行設(shè)計首先我們需要對恒溫晶振的組成部分進(jìn)行充分的了解的基礎(chǔ)上進(jìn)行。恒溫晶振的組成部分包括：主振電路、放大電路、溫度控制電路和電源電路等組成。對低噪聲進(jìn)行設(shè)計的重點(diǎn)體現(xiàn)在對模塊電路之間實(shí)現(xiàn)合理的配置。經(jīng)過大量的研究對恒溫晶振的噪音來源進(jìn)行進(jìn)行原因分析，得出恒溫晶振的噪音主要發(fā)生在主振電路。在我們的運(yùn)用中，常見的主振電路包括：克拉普電路形式和皮爾斯電路形式這兩種。其中皮爾斯電路形式所體現(xiàn)的效果比克拉普電路形式的效果好，也是現(xiàn)代恒溫晶振中運(yùn)用較廣泛和成熟的電路形式。皮爾斯電路等效圖如下：

2）在進(jìn)行主振電路的設(shè)計時，進(jìn)行降低噪音的方法進(jìn)行闡釋，其一是在主振電路中應(yīng)該提高晶體的有載品質(zhì)因數(shù)指標(biāo)值，充分發(fā)揮晶體的高品質(zhì)特點(diǎn)。其二是對主振晶體管的位置進(jìn)行優(yōu)化配置，將主振電路工作避免出現(xiàn)在高噪聲的區(qū)域，盡量將主振電路控制在低噪聲的區(qū)域，將噪聲系數(shù)控制在最佳的范圍。

（二）元器件的選用

在對恒溫晶振的設(shè)計中，對進(jìn)行設(shè)計的元器件的使用也非常的重要，這些主要元器件是晶體管和晶體諧振器這兩者的選用最為關(guān)鍵。

1）在目前的恒溫晶振元器件中晶體諧振器的使用，晶體諧振器又分為AT切和SC兩種形式。在這兩種不同的形式中我們通常使用的是SC切的形式進(jìn)行，主要是因?yàn)镾C切這種形式自身具有的有載品質(zhì)因數(shù)指標(biāo)值，優(yōu)勢特點(diǎn)體現(xiàn)在發(fā)生的頻率過沖，效應(yīng)較小，同時還具有老化率比較低的特點(diǎn)，是其他元器件形式優(yōu)勢所無法進(jìn)行比擬的，因此被廣泛運(yùn)用于恒溫晶振的晶體類型中。

2）晶體管是是電路中最為重要的有源器件，在對此進(jìn)行選擇上盡量選擇電阻較小的晶體管，除此之外還需要在集電結(jié)電容較小，截止頻率較高以及噪聲系數(shù)較低的晶體管選擇，如：現(xiàn)代運(yùn)用廣泛的3DG晶體管的采用。

（三）高精度控溫系統(tǒng)設(shè)計

對控溫系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計我們需要對它的組成部分進(jìn)行了解，控溫系統(tǒng)主要是由控溫電路和恒溫槽這兩部分組成。通過對高精密的控溫系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計可以提高恒溫晶振的頻率和進(jìn)行運(yùn)用中溫度的控制，從而影響最終的短期穩(wěn)定度。如果在10-12/s量級的情況下，控溫精度對短期的穩(wěn)定度的影響體現(xiàn)不明顯。但在10-13/s量級下，就會對短期穩(wěn)定度造成很大的影響。在進(jìn)行設(shè)計的過程中通常是采用放大流的控溫電路。由于我們主要研究的是對小型高穩(wěn)恒溫晶振的研究，因此對控溫方式的選擇主要是采用單層控溫的形式，通過對晶體、熱源以及電阻之間進(jìn)行合理的安排，以此減少溫度對控溫精度造成影響。經(jīng)過測試，在零下30攝氏度和70攝氏度之間溫度環(huán)境下，溫度的穩(wěn)定度可以保持在±1×10-8之內(nèi)。

（四）高穩(wěn)恒溫抗振設(shè)計

抗振設(shè)計主要是針對力學(xué)敏感的晶振設(shè)備，對此進(jìn)行設(shè)計需要掌握幾方面內(nèi)容，其一是在進(jìn)行晶體管的選擇上由于SC與AT相比，SC具有AT所無法比擬的優(yōu)勢特點(diǎn)，SC具有更好的抗振性。在對此進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要是采用具有重量輕、精度較好的合適結(jié)構(gòu)，以此保證電路板安裝緊固到結(jié)構(gòu)當(dāng)中，通過相關(guān)設(shè)計，以保證產(chǎn)品的整體抗震能力。

三、測試結(jié)果

我們知道在10-13/1s量級的恒溫晶振中對此進(jìn)行測試具有較高的要求，通過測試儀的運(yùn)用，相關(guān)指標(biāo)符合測試指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了小型化的設(shè)計。以下是對研制產(chǎn)品和OCXO8788進(jìn)行測試的結(jié)果，通過以下表格進(jìn)行了解：

四、結(jié)語

本文是基于對10MHz小型高穩(wěn)恒溫晶振的研究。在本文中對此進(jìn)行研究主要是通過對降低噪聲的電路設(shè)計的方式進(jìn)行對高精度控溫系統(tǒng)的設(shè)計這兩方面內(nèi)容進(jìn)行，在文章的第一部分主要是對短期穩(wěn)定度的數(shù)學(xué)表達(dá)進(jìn)行顯示，主要是通過公式的形式進(jìn)行表達(dá)，對高穩(wěn)恒溫晶振的短期穩(wěn)定度的進(jìn)行分析得出在進(jìn)行晶體晶振諧振器需要提高晶體管的品質(zhì)因數(shù)，同時需要選擇具有降噪效果的晶體管進(jìn)行使用，最后是選擇合適的輔助電路，最后是運(yùn)用具有隔斷功能的單層恒溫槽的使用，主要是考慮到本文研究的主要是小型高穩(wěn)恒溫晶振的研究，以此防止由于環(huán)境因素造成的最終測試成果出現(xiàn)偏差。在第二部分是對低噪聲恒溫晶振研制進(jìn)行設(shè)計，主要是通過低噪聲震蕩電路設(shè)計和精密控溫系統(tǒng)設(shè)計這兩方面進(jìn)行完成，最后是通過數(shù)據(jù)表的形式對最終結(jié)果通過數(shù)據(jù)表現(xiàn)進(jìn)行不同測試值，以此完成對小型高穩(wěn)恒溫晶振短期穩(wěn)定度的研究。

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