一種小型低相位噪聲恒溫晶體振蕩器的設計

文/賈偉琦

晶體振蕩器作為穩定的頻率基準源，被廣泛應用于通信、廣播、導航及多種測量儀器中。其性能指標直接影響著整機系統的多項關鍵指標。相位噪聲性能是指各種隨機噪聲造成的瞬時頻率或者相位的起伏，表征輸出頻率的短期頻率穩定度，作為晶振的關鍵指標對整機系統的性能參數有著重要意義。本文從理論的角度展開分析，針對一種小型低相噪恒溫晶振的設計特征進行說明。

1 理論分析

在晶體振蕩電路中，電阻、電容、電感、二極管、晶體管等都會產生內部噪聲，但是噪聲會有所不同，其中晶體管的噪聲最大，在電氣環境中帶來的影響也最大，而電阻或者電容等元件則相對影響較小，在某些情況下甚至可以視為無噪聲元件。

對于晶體振蕩器而言，其相位噪聲共有五種模式，即白噪聲調相、閃爍噪聲調相、白噪聲調頻、閃變噪聲調頻和頻率隨機游動。但是在晶體管實際的工作過程中，并非五種噪聲共同作用，其影響力，通常由比較突出的三、四種噪聲引起，而在這其中，附加噪聲、干擾噪聲，以及調頻閃變噪聲的作用最不容忽視。

根據Leeson模型（振蕩器的相位噪聲模型）分析，晶體諧振器的有載Q值越高，振蕩器的噪聲性能越好。也就是說，需要切實提升諧振器的有載Q值，才能獲取良好的工作狀態。這需要進一步展開工作，切實提升諧振器自身的Q值，并且優化的主振電路，盡量減小振蕩回流的損耗，將空載Q值盡最大可能轉換成為有載Q值。晶體諧振器自身的Q值不可能無限制提升，因此晶振低相噪實現的關鍵是如何進一步提升晶體諧振器在振蕩電路中的有載Q值。

在高穩晶振中，振蕩電路通常采用反饋型電路予以實現。依據晶體諧振器在振蕩電路中的作用原理，可以將反饋型振蕩電路進一步劃分為兩種，即串聯振蕩型以及并聯振蕩型。其中前者是將晶體諧振器置于放大網絡和反饋網絡之間，從實現形態上看保持串聯，能夠發揮選頻作用。當振蕩電路頻率與晶體諧振器串聯諧振頻率相同時，晶體諧振器就會呈現出純阻性特征。在這一領域，通常采用巴特勒電路實現串聯，整體效果良好。而對于后者而言，皮爾斯電路和考畢茲電路是比較常見的實現方式，從結構上，就是將晶體諧振器置于反饋網絡中，作為振蕩回路的一個電抗元件參與工作，和回路的其他元件一起共同決定系統的工作頻率。當振蕩電路頻率控制在晶體諧振器串、并聯諧振頻率之間的時候，晶體諧振器呈感性。

晶體在電路的有載Q值要提高，必須選取相對較好的振蕩電路形式。晶體的有載Q值可以表達為式（1）：

式（1）中，Lx為晶體等效電感；RS以及RL分別表示晶體等效電阻以及晶體負載電阻。

電路中的電阻損耗直接導致有載Q值小于晶體自身Q值。為了盡量縮小晶體的Q值損耗，應對RL展開有效控制，確保Q值不會因RL而顯著惡化。在并聯振蕩電路中，將晶體放置于晶體管的集電極和基極的情況時，等效RL相對較大；而在串聯振蕩電路中，將晶體串聯在發射極的時候，有載Q值會相對而言更具有優勢。同時，采用并聯振蕩電路還需要加入晶體的B模抑制網絡，會使晶體Q值進一步降低。因此，從噪聲降低的角度考慮，串聯振蕩電路是相對更優的選擇。

2 產品研制

2.1 器件選型

由上述可見，晶體諧振器、晶體管等器件對相噪的影響很大。故在低相噪晶振設計中，對晶體諧振器、晶體管等器件的選型很關鍵。

晶體諧振器：對于切型、Q值、泛音次數、拐點、頻差、等效電阻、靜態電容等參數都要進行慎重考慮。在本文設計中，通過綜合考慮，本文選用了SC切5次泛音高Q晶體諧振器。

晶體管：需重點考慮噪聲系數，并兼顧低溫漂、高增益、小封裝等要求。

其他器件：均需重點考慮低噪聲的要求。

2.2 電路設計

2.2.1 振蕩電路

傳統的巴特勒結構電路，振蕩模式復雜，調試困難。可以考慮對傳統巴特勒電路進行改進，面向電路以及相關參數展開設計，實現對于輸出信號相位噪聲的優化。

2.2.2 穩壓電路

電源線上的噪聲對晶振影響很大，因此低噪聲晶振的穩壓電路設計極其重要。在對電路系統展開設計的過程中，應當注重穩壓器件選用低噪聲與紋波的線性穩壓器。在PCB布線時，要充分考慮電源濾波，使電源紋波對各級電路的影響達到最小。

2.2.3 放大電路

在展開電路設計的時候，可以考慮直接從晶體引出振蕩信號，但同時應當注意，晶振的放大級要選用具有更低輸入阻抗的共基極低噪聲放大器，唯有如此才能確保其能夠與晶體實現阻抗匹配，有載Q值得到提升。在晶體管的選用上則應當重點考察低噪屬性，兼顧偏置電路。但放大器的直流工作點，則應當重點關注放大電路工作在線性狀態，并且放大電路中酌情引入負反饋，同樣對于降低閃爍調相和閃爍調頻噪聲存在積極價值。

2.2.4 濾波電路

設計時可以考慮在輸出端增加帶通濾波電路，將輸出端與振蕩電路加以隔離，減小負載變化對主振狀態的影響，提升輸出信號的頻譜純度。

2.2.5 控溫電路

可以考慮選擇比例積分反饋的連續式控溫電路，在提升控溫電路的靈敏度的同時，加強控溫精度及環境適應性。

2.3 測試結果

本文研制的10MHz小型超低相噪恒溫晶振，相噪指標最優達到-168dBc/1kHz，達到了預期的研制目標。

3 結束語

本文通過高Q值晶體和低噪聲電路實現了超低相噪恒溫晶振的設計，具有的低相噪性能，達到了國外同類產品先進水平，具備很好的應用前景。

參考文獻

[1]趙聲衡.石英晶體振蕩器[M].北京：科學出版社,2008.

[2]曾興雯.高頻電路原理與分析[M].西安：西安電子科技大學出版社,2002(08).

[3]LEESON D B.A simple model of feedback oscillator noise spectrum[J].Proc IEEE,1996,54:329-330.

[4]楊非，齊寧華，孫忠良.改進的相位噪聲公式與低相位噪聲振蕩器設計[J].東南大學學報：自然科學版,2007,37(05):743-746.