基于小型化超低短穩高穩定度恒溫晶振的設計

郭 旺

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050000）

1 引言

恒溫晶體振蕩器是目前頻率穩定度和精確度最高的晶體振蕩器。它作為高精密穩定的信號源被應用在各種類型的通信領域中，如軍事領域中的雷達和通信導航、工業領域的測量設備和調制解調器、汽車領域的傳感器和GPS 應用等。恒溫晶振的設計就是利用高Q 值、低老化的晶體諧振器和合理的恒溫槽布局來達到低老化、高穩定的指標技術，進而保證其在各類通信系統中的應用要求。而短穩是恒溫晶體振蕩器一項非常重要的指標，它的指標的提高對各類通信系統的最終性能會有很大提升，如超低的短穩能夠降低通信系統中的誤碼率，在測試設備中能夠提高系統的測試精度。本文所闡述的恒溫晶振所能夠達到的上述指標有：溫度特性：＜±0.1ppb/-40～+85℃；老化特性：＜±0.1ppb/日；短穩：0.0005ppb/s。

2 電路設計

恒溫晶振的電路設計分為振蕩電路（主振電路）和控溫電路兩個部分。

2.1 主振電路的設計

振蕩電路的設計有串聯晶體振蕩器和并聯晶體振蕩器兩種。并聯型晶體諧振器電路是晶體接在反饋網絡中，并與電路中其他電抗元件構成并聯諧振回路；在串聯型晶體電路中，晶體與負載電容串聯，工作時呈純阻性。為了便于可生產性和調試方便等原因，本文采用了并聯振蕩電路的共集柯爾匹茲電路形式，主振電路圖見圖1。

圖1 主振電路

D.B.Leeson 曾經提出的關于反饋振蕩器的簡單噪聲模型與實際情況具有非常好的符合性，因此被廣泛應該于振蕩器噪聲的分析中。故當主振電路確定好之后，我們將在以下方面提高老化和短期穩定度指標：

（1）采用高Q 值的晶體諧振器，并盡快能的來加大主振電路的有載Q 值。

（2）采用低噪聲的晶體三極管，設置適當的晶體管偏執電壓和較低的工作電流，如適當調整R19、R20、R29。

（3）合理選擇輔助電路形式和參數，如電源濾波采用二次穩壓及低噪聲的穩壓器。

通過以上三個方面的設計和參數調試，主振電路部分能夠實現晶振的低老化和超低短期穩定度的要求。

2.2 控溫電路的設計

為了能夠盡量降低環境溫度波動引起的頻率穩定度的惡化以及實現低短穩高穩定度的指標要求，本設計采用了雙層恒溫槽的控溫方式。內外兩層恒溫槽控溫電路均選用直接放大式連續控溫電路，直接放大式連續控溫電路工作于直流狀態，受外界干擾小，電路簡單，易于實現小型化設計。雙層恒溫槽設計的關鍵是優良的保溫性能和合理的結構形式。優良的保溫性能可以降低加熱功耗和穩定功耗，降低環境溫度波動對控溫精度的影響；本設計將主振電路、晶體諧振器、熱敏電阻和加熱功率管都放在內層恒溫槽內，這樣能夠保控溫精度。外層控溫槽主要控溫電路和微處理器，微處理器用來采集內槽的控溫狀態以及控制內外槽槽溫。

3 測試結果

由于本文設計的產品短穩已經達到了5*10e-13的數量級，普通設備的測量精度已經無法達到要求。所以建議采用測試精度較高的測試設備和參考源，如本次實驗的測試設備為5125A，參考源為高穩定度的DBV-10M 參考源。經過前期的實驗和參數的調整，測試結果如下圖2和圖3：

圖2 短期穩定度測試結果

圖3 頻率溫度特性測試結果

4 結束語

本文主要介紹了一款基于超低短穩和高穩定度恒溫晶振的設計思路，設計過程中通過關鍵元器件的選型、電路參數的優化、控溫槽的合理布局，以達到低短穩高穩定度的指標要求，最終經過實驗驗證了該設計思路的可行性和可量產性，同時做到了小型化，能夠滿足市場的需求，具有廣闊的市場需求。