低噪聲高穩定100M恒溫振蕩器的設計與實現

高志祥

（南京中電熊貓晶體科技有限公司，江蘇 南京 210038）

0 引言

振蕩器是一種通過振蕩產生信號的元器件，可以看作一個能量轉換裝置，能將線路中的直流電源的電能轉換成一種固定頻率、幅度和波形的直流信號。這種能量的轉換基于石英晶體材料的一種特性，即壓電效應。在石英諧振器的2 個電極之間加一個固定電場，中間的晶片就會發生機械形變；反過來，晶片發生機械形變，其電極之間也會產生一定的電場。正是基于這一特性，廠家生產出各式各樣的振蕩器，恒溫晶體振蕩器便是其中一個分支。

恒溫晶體振蕩器是目前頻率準確度、頻率穩定度最好的振蕩器，其短期穩定度、相位噪聲具有非常優異的性能，長期穩定度也不遜色于普通的原子鐘，被廣泛應用于航空、航天、通信、雷達和精密儀器儀表等多行業。隨著技術的發展，對頻率器件的高穩定度也要求越來越高，給頻率器件廠家帶來了新的挑戰，同時也是新的機遇[1]。

1 理論分析及設計方法

1.1 相位噪聲淺析

常說的恒溫晶體振蕩器的短期穩定性主要包括相位噪聲、溫度波動以及日老化。日老化主要取決于核心元器件本身的制造工藝。溫度特性主要取決于恒溫槽精密控溫技術。相位噪聲相對來說復雜一些。由于電噪聲的存在使晶體振蕩器產生隨機抖動，因此晶體振蕩器頻率的短期穩定主要由電路內部電噪聲的強弱決定。根據噪聲形成機理的不同，電噪聲可以分為熱噪聲、散彈噪聲、散變噪聲和爆裂噪聲等。其中，熱噪聲和散彈噪聲的機理早已清楚。爆裂噪聲被認為是載流子受半導體結中的缺陷調制而產生的并且有了一定的試驗依據。唯有散變噪聲的形成機理至今沒有定論。然而對振蕩器的研發者來說，最重要的是各種噪聲的譜密度，散變噪聲具有f-a 形成的譜密度，這一點是明確的[2]。因此設計一款低噪聲、高穩定的100M晶振，需要先設計好其核心的振蕩電路。

1.2 振蕩電路設計及器件選型

高穩晶體振蕩器可以拆分為4 個模塊，分別是振蕩線路、信號處理放大、直流穩壓電路以及恒溫槽控制電路。作為整個振蕩器的核心，振蕩電路的每個特性指標會直接影響高穩晶振的最終性能。因此振蕩部分選用巴特勒共基串聯振蕩電路[3]。此外，由于石英諧振器的濾波作用，流入發射級電流的諧波分量較小，噪聲較低，因此振蕩電路還具有較好的頻譜特性。振蕩電路原理圖如圖1所示。

圖1 振蕩電路原理圖

研制低噪聲晶振，需要先選擇Q值較高的晶體，并使晶體有盡可能高的在線Q值。Q值與晶體的切型有密切關系，高精密AT 切型和SC 切型的Q值高達2×106，而高精密的BT 切型的Q值可高達4×106。因此，如果不考慮其他參數指標，只要求相位噪聲的話，那么BT 切晶體必然是最佳的選擇。SC 切晶體Q值雖然只有BT 切的一半左右，但是SC 切型是一種應力補償型晶體，由溫度和溫度梯度變化帶來的頻率變化比AT 切晶體小得多。與SC 切晶體的噪聲和BT 切晶體差不多，有時甚至更好一些。再綜合晶片厚度與晶體阻抗等因素，最終決定選擇SC 切型5 次泛音晶體進行低噪聲、高穩定100M 恒溫晶振的研制。

除了高Q值晶體選擇外，低噪聲晶體管是低噪聲振蕩器設計中的又一個重要器件。由晶振相位噪聲計算公式可知，晶體管應具有特征頻率fT高，2GHz~10GHz 為佳，噪聲系數NF小于3dB 并且越小越好，電流放大倍數β大于80，但不宜太大。基區電阻rbb與結電容CC越小越好。綜上所述，最終選擇NXP 公司的一款低噪聲三極管。

無源器件電感和電容的選擇同樣需要注意。電感在理想狀態下的阻抗為0，但實際中不存在阻抗為0 的電感。電感在不同頻率下也有不同的Q值，因此就要在同等尺寸下選擇Q值最大的。電感的溫度特性受不同繞芯材質的影響，其溫度特性也有較大區別。對陶瓷繞線電感同時具有高Q值、低溫漂的特性要求。電容器件和電感在電路中同樣重要，因此電容器件的溫漂一定要好。那么體積小、溫漂小的MLCC 電容為最佳選擇。

線路板不僅是所有器件的載體，還通過線路連接了各元件。其本身特性也會影響晶振的性能及可靠性。由于恒溫晶振內部一直是高溫環境，因此線路板的Tg值必須要大于150，最好能有170。沉金工藝也是必須具備的，具有良好的導電性才能更好地傳輸頻率信號。工藝上盡量選擇4 層板，內層進行鋪地處理，以增大加熱面積，保持溫度穩定。

1.3 高精密恒溫槽控溫原理及實現

由晶體諧振器頻率溫度曲線可知，晶體諧振器的頻率隨溫度而變化，溫度的波動會直接影響晶振頻率的穩定度。因此，恒溫晶體振蕩器的溫度控制是提升其穩定度的重要手段。

高穩定晶振的恒溫槽多數采用的是單層恒溫槽，其優勢是結構簡單，方便安裝調試。設置多個不同位置傳感器進行溫度檢測，也能得到不同的溫度特性。穩定度一般在10-8量級。其缺點如下：1）電路具有有限的開環增益。2）恒溫槽內溫度并不能較好地穩定在固定點。3）輸出頻率穩定性和恒溫槽關系密切。單層恒溫槽控溫系數G一般在0.05 左右，也即當環境溫度變化100℃，恒溫振蕩器內部諧振器溫度變化為5℃。由SC 切晶體的溫度頻率曲線可知，當溫度變化為5℃時，其頻率變化在10-8量級。因此，要得到10-9量級或更高的精度，就需要晶體溫度波動小于1℃，也就意味著控溫系數要小于0.01。為達到這一要求，可以采用的辦法包括1）多一層控溫，也即雙恒溫槽結構。2）增加熱源，增大加熱面積，減少溫度波動帶來的頻率變化。3）增加溫度傳感器，使溫度調節更靈敏。該設計同時采用第一個和第三個方法[4]。

雙恒溫槽結構示意圖如圖2 所示，采用多傳感器恒溫槽模式。圖2 中1~4 為加熱功率管，箭頭所示為溫度傳感器。

圖2 雙層恒溫槽結構圖

將晶體諧振器和振蕩電路放入內層恒溫槽內，放大電路和穩壓電路放到外層恒溫槽。外槽溫度設定低于內槽溫度10℃。內槽控溫線路采用現有成熟設計方案，如圖3 所示。

圖3 直放式恒溫槽電路

直放式控溫電路通過電橋和熱敏電阻結合的方法來對恒溫槽內的溫度進行控制，電橋兩端分別接在運算放大器的正極和負極。當兩級間的電壓不相等時，運算放大器輸出一定的電壓值，這個電壓值會使加熱功率管工作在線性放大區。剛通電時，負溫度系數的熱敏電阻具有較大阻值，此時運算放大器的負極具有較大電壓，導致電橋不平衡。運算放大器輸出高電壓，可使功率管具有更大電流來進行加熱。隨著恒溫槽溫度的升高，負溫度系數熱敏電阻的阻值會慢慢降低，運算放大器的負端電壓也會慢慢變小，最終和正極電壓一樣。此時加熱功率管可提供較小的電流給恒溫槽，使其產生的熱量平衡掉散去的熱量，直到恒溫槽達到設定的溫度[5]。

溫度傳感器放置在不同位置。將一個放在內槽緊貼諧振器，感知諧振器溫度T1。將2 個放在外部恒溫槽內，感知外界溫度變化T2。通過T1和T2的差值來精確設定恒溫槽溫度。為精確測量出T1溫度，需要利用SC 切晶體的另外一個特性，即其振蕩在B 模時的溫度頻率曲線。SC 切晶體在正常工作過程中振蕩在其C 模。這時，其頻率溫度曲線呈現平坦“n”狀。當溫度達到拐點時，頻率最大。

但是SC 切晶體不僅有C 模，在C 模1.09 倍頻率處還有個B 模，其振蕩信號更強，如果不加以抑制，振蕩器會振蕩在B 模。當振蕩器振蕩在B 模時，其頻率變化ΔF與溫度變化ΔT的關系式為ΔF/ΔT=-25.5（1×10-6/℃）。利用SC切晶體B模這一特性可以精度測得諧振器在恒溫槽工作過程中的準確溫度，可滿足對恒溫槽精準控溫的要求[5]。

1.4 電源電路設計

電源引線上的噪聲或紋波會使任何振蕩器的相噪性能惡化。電源電壓的變化將改變射頻電壓限幅條件、諧波成分、電抗負載和輸出頻率。因此任一低相噪振蕩器都需要極低紋波和低噪聲的電源。

該文設計的電源電路使用了LT3042 穩壓器，如圖4所示。LT3042 是一種高性能低壓差線性穩壓器，擁有具有LTC 特色的超低噪聲和超高電源抑制結構，可為噪聲敏感應用供電。LT3042 輸出電源范圍寬（為0V~15V），同時可提供幾乎恒定的輸出噪聲、電源抑制比、帶寬和負載調節，具有獨立的編程輸出電壓。

圖4 電源電路設計圖

2 測試儀器與測試結果

產品性能指標好壞只能通過儀器測試才能鑒別。這就要求儀器設備本身具有同等或更高的性能。進行頻率精度測量時，一般頻率計精度只能達到10-8級別，好一些的頻率計內置恒溫晶振模塊，精度也只能達到10-10級別。當測試精度需要更高時，必須配合10-13量級以上的銣原子鐘或銫鐘。

相位噪聲的測試需要選用專業的相噪儀。不同相噪儀測試的基該方法不同，測量精度也不相同，該文選用目前測試方法為最新的、精度最高的FSWP 相噪儀進行測試，其頻率測量為1MHz~26.5GHz，頻偏為0.01Hz~40MHz，測量精度小于1.5dB。內置高穩源，配合互相關技術，底噪-185dBc/Hz 并且可以同時測試相位噪聲與短期穩定度。

通過測試，該文設計中的低噪聲高穩定性100M 晶振指標見表1。

表1 低噪聲高穩定性100M 晶振指標

3 結語

該文綜合了市面上不同客戶確立的指標，尋找出設計中的關鍵點，分析、評估了雙層恒溫槽結構、低噪聲振蕩電路以及高Q值諧振器的特點，配以高性能穩定的穩壓電源，綜合設計出該款低噪聲、高穩定100M 振蕩器。該產品應用于機載、彈載等項目中后，整機系統指標有顯著提升。