高穩(wěn)恒溫石英晶體振蕩器設(shè)計(jì)*1

熊 琦，曾健平

(1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

高穩(wěn)恒溫石英晶體振蕩器設(shè)計(jì)*1

熊 琦1，曾健平2

(1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

通過(guò)對(duì)振蕩器主振電路及控溫電路的工作原理和設(shè)計(jì)思想的分析，設(shè)計(jì)了中心頻率為50 MHz的小型高穩(wěn)恒溫石英晶體振蕩器.振蕩器的主振級(jí)采用皮爾斯并聯(lián)電路，控溫電路采用直放式連續(xù)溫度控制電路，并改進(jìn)了恒溫槽結(jié)構(gòu)，采用功率管槽內(nèi)加熱實(shí)現(xiàn)晶體的小型化.對(duì)試制樣品的老化率、頻率穩(wěn)定度等進(jìn)行了測(cè)試，得到了晶體振蕩器的測(cè)試數(shù)據(jù)，與理論值相符.

高穩(wěn)定度；小型化；振蕩器；主振電路；恒溫槽

石英晶體振蕩器是目前精確度和準(zhǔn)確度最高的振蕩器，被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電話系統(tǒng)、遠(yuǎn)程通信、衛(wèi)星通信、全球定位系統(tǒng)(GPS)、導(dǎo)航、遙控、航空航天、高速計(jì)算機(jī)、精密計(jì)測(cè)儀器及消費(fèi)類民用電子產(chǎn)品中，作為標(biāo)準(zhǔn)頻率源或脈沖信號(hào)源提供頻率基準(zhǔn)，是其他各種類型的振蕩器無(wú)法取代的.在各種類型的石英晶體振蕩器中，雖以恒溫型晶體振蕩器的體積最大，但由于其具有非常優(yōu)越的性能，應(yīng)用也非常廣泛，目前其需求量日益增長(zhǎng)，要求也更高.

筆者設(shè)計(jì)了一種中心頻率為50 MHz的小型恒溫晶體振蕩器.相關(guān)文獻(xiàn)研究表明，共射低頻電流放大倍數(shù)β0不宜過(guò)大，否則難以提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度[1]；穩(wěn)壓部分選用溫度特性好的穩(wěn)壓二極管[2]；溫控電路由熱敏電阻組成的電橋、直流電壓放大電路及功率放大電路等構(gòu)成[3].絕熱保溫材料設(shè)計(jì)中，銀膏膠封熱敏電阻與恒溫槽體緊密接觸，是直放式恒溫槽用于恒溫控制行之有效的方法[4].當(dāng)保溫層厚度減少后，晶振的頻率溫度特性并無(wú)惡化.[5-6]文中對(duì)主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的振蕩器具有頻率高、穩(wěn)定度好等特性.

1 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

1.1振蕩電路設(shè)計(jì)

圖1 電路結(jié)構(gòu)

晶體振蕩電路由主振電路、諧波抑制電路、電壓放大和輸出波形變換電路組成，其原理電路構(gòu)成如圖1 示.

圖2為主振電路的原理圖.主振電路選用扁平塑封晶體管、小型金屬膜電阻和微型分立式電容安裝的分立元件，器件選用時(shí)兼顧了零配件件的國(guó)產(chǎn)化、性能價(jià)格比以及晶振小型化等問(wèn)題.

圖2 主振電路原理

電路中采用標(biāo)稱頻率為50 MHz、AT切的金屬冷壓焊封裝的晶體諧振器.圖2中的主振電路采用皮爾斯并聯(lián)電路，由晶體管T1、晶振以及電容Ct，C1，，C2，Cx組成.設(shè)計(jì)中選用足夠高的特征頻率fT，較小的共射電流放大倍數(shù)β0晶體管(過(guò)大的β0值不利于提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度).因此，只要保證了晶振起振，C1和C2應(yīng)盡可能選取較大值，以便掩蓋晶體管結(jié)電容及其他雜散電容帶來(lái)的不利影響，同時(shí)還可以減小電阻R1，R2折算到與諧振器串聯(lián)的等效電阻，保證諧振器有較高的在線Q值.為了獲得更高的諧振器在線Q值，更好的頻率穩(wěn)定度，選取電容值較大的Ct，但Ct過(guò)大會(huì)使振蕩器的頻率很難校準(zhǔn)到標(biāo)稱頻率，每級(jí)晶體管集電極電源須接0.01 μF電容去耦.

電阻電位器Rx，R1及R2構(gòu)成分壓電路，其分壓使變?nèi)荻O管正常工作.變?nèi)荻O管的容值隨分壓而改變，振蕩電路的頻率也隨之改變，因而調(diào)整可變電位器Rx能夠手動(dòng)校準(zhǔn)頻率.調(diào)諧回路由變?nèi)荻O管Cx、電阻R1，R2和電位器Rx構(gòu)成.在穩(wěn)壓電路中選用溫度特性良好的穩(wěn)壓二極管，以取代溫度特性較差的三端穩(wěn)壓器.理論研究與實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，要很好地改善晶體振蕩器的溫度特性，就在電阻R1并聯(lián)1個(gè)正溫度系數(shù)熱敏電阻Rt.此外，在調(diào)試的過(guò)程當(dāng)中，若測(cè)試到電路的振蕩頻率并不在上邊頻和下邊頻的中心位置時(shí)，即可調(diào)整這個(gè)正溫度系數(shù)熱敏電阻Rt來(lái)獲得改善.

筆者通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和布局，將圖2中虛線框所示的振蕩電路和前2級(jí)幅度放大器集成到一塊PCB板上，并置于恒溫槽中，更大程度地提高了幅度放大器的溫度穩(wěn)定性，同時(shí)又避免了恒溫槽體積的增加.這種改進(jìn)使得在不采用AGC(自動(dòng)增益負(fù)反饋)電路的情況下，晶振的長(zhǎng)期和短期頻率穩(wěn)定度沒(méi)有明顯的差別，有利于晶振的小型化.集成塊6321具有倍頻和波形變換作用，由于文中采用50 MHz晶體，故無(wú)須倍頻即可滿足要求.振蕩電路的噪聲主要來(lái)自電路中的有源元件.為減少這些噪聲，通常采用穩(wěn)定的電源和理想的輸出策略，適當(dāng)加寬電源線可減小環(huán)路電阻.電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞方向一致，也有助于增強(qiáng)抗噪能力.同時(shí)，為了減小噪聲從振蕩器泄漏出去和噪聲從其他設(shè)備進(jìn)來(lái)，電源上通常采用旁路電容.一般選用的旁路電容為0.1 μF或4.7 nF，該電容對(duì)基頻的3次泛音有一定的吸收作用，并能改善振蕩波形，抑制電源線抖動(dòng)所帶來(lái)的影響.此外，晶振的外殼必須接地，加粗接地線也是增強(qiáng)石英晶體諧振器抗干擾能力的重要措施之一.

1.2恒溫電路設(shè)計(jì)

圖3 控溫電路原理

采用單層恒溫槽及直放式連續(xù)溫度控制電路進(jìn)行恒溫電路設(shè)計(jì)，該控溫電路具有補(bǔ)償零點(diǎn)漂移性能的特點(diǎn).恒溫槽利用功率放大管的管耗進(jìn)行加熱，以充分利用電源效率.溫控電路的結(jié)構(gòu)由熱敏電阻電橋電路、直流電壓放大和功放電路組成，其電路如圖3所示.

圖3中的控溫電橋網(wǎng)絡(luò)由電阻R1，R2，熱敏電阻Rt及拐點(diǎn)電阻Rx構(gòu)成，直流電壓放大器由集成運(yùn)放構(gòu)成，恒溫槽由功率管管耗提供熱量.其工作原理如下：當(dāng)恒溫電路通電后，當(dāng)其恒溫槽溫度沒(méi)達(dá)到晶體拐點(diǎn)溫度時(shí)，電橋?qū)⒂幸粋€(gè)較大的失衡電壓輸出，使溫控電路處于大電流加熱狀態(tài)，功放管功率最大，恒溫槽內(nèi)溫度上升；當(dāng)恒溫槽內(nèi)的溫度上升，電橋電路的輸出失衡電壓就下降，功率管的管耗下降，直到恒溫槽加熱到所需要控制的溫度，溫度控制電橋輸出的電壓維持不變.與此同時(shí)，流過(guò)功率管電流最小，恒溫控制電路處于最小的加熱功率狀態(tài)，此時(shí)恒溫控制電路處于熱平衡狀態(tài)，恒溫槽的溫度發(fā)生變化，熱敏電阻阻值隨之變化.即：T↑→Rt↓→+V↓→Vo↓→I↓→T↓.由此可見(jiàn)，保持槽內(nèi)恒溫，可以根據(jù)熱敏電阻阻值隨溫度的變化來(lái)調(diào)整恒溫槽內(nèi)的溫度.

1.3恒溫槽設(shè)計(jì)

要使恒溫槽實(shí)現(xiàn)控溫，首要，減小恒溫槽熱量的散失，提高其絕熱性能.其次，盡量減小體積，以縮小傳熱面積.文中采用導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.02 W/(m.k)左右硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料作為保溫層材料，其易于加工，能很好的達(dá)到絕熱的目的.由于恒溫槽通電加熱后其加熱電流在某一值附近作長(zhǎng)時(shí)間的周期性波動(dòng)，所以為解決該熱振蕩的問(wèn)題，減小恒溫槽熱量的散失，使用絕熱性能良好的保溫材料(銀膏膠封熱敏電阻)，使它與恒溫槽體接觸良好.實(shí)踐證明，為達(dá)到更好的恒溫控制效果，把熱敏電阻放置在功率管的外側(cè)比較適宜.

為了盡可能的減小晶振體積，文中設(shè)計(jì)過(guò)程中削減了保溫層的厚度.理論分析和實(shí)踐結(jié)果表明，即使保溫層厚度減少，晶振的頻率溫度特性并沒(méi)有惡化.在保溫層厚度減小后，晶振的表面積又隨之減少，晶振向外輻射的熱量與表面積成正比，晶振通過(guò)保溫層向外傳導(dǎo)的熱量與保溫層的厚度成反比.減少保溫層厚度所產(chǎn)生的2個(gè)結(jié)果互相抵消.整個(gè)恒溫晶體振蕩器的結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 恒溫晶體振蕩器結(jié)構(gòu)

2 測(cè)試結(jié)果

依照上述原理及設(shè)計(jì)原則，筆者設(shè)計(jì)的50 MHz小型恒溫晶體振蕩器，其外型尺寸為35 mm×35 mm×13 mm.在試制的產(chǎn)品中隨機(jī)抽取了10只樣品，對(duì)主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，其指標(biāo)范圍如表1所示.測(cè)試結(jié)果與理論值相符.

表1 中心頻率為50 MHz的晶振器的主要技術(shù)指標(biāo)

3 結(jié)語(yǔ)

采用皮爾斯并聯(lián)主振電路結(jié)構(gòu)和精選元器件，通過(guò)細(xì)調(diào)恒溫電路拐點(diǎn)和恒溫槽結(jié)構(gòu)，完成了50 MHz的高穩(wěn)恒溫石英晶體振蕩器設(shè)計(jì).測(cè)試結(jié)果表明,筆者設(shè)計(jì)的晶體振蕩器具有頻率高、穩(wěn)定度好、體積小和重量輕等特點(diǎn),能夠滿足客戶對(duì)小型化超高頻高穩(wěn)晶振的需要.該晶振應(yīng)用到光纖通信及雷達(dá)等設(shè)備中,可以提高設(shè)備的可靠性,縮小其體積,減小其功耗,具有較為顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.

[1] 趙聲衡.石英晶體振蕩器[M].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)出版社，1997.

[2] 翁壽松.壓控晶體振蕩器及其調(diào)頻變?nèi)荻O管[J].半導(dǎo)體情報(bào)，2000(4)：14-17.

[3] 曾健平，陳迪平，曾 云，等.直流式溫控電路零漂的補(bǔ)償[J].半導(dǎo)體情報(bào)，1998(6)：50-53.

[4] 鄒金林，李少平.恒溫晶體振蕩器失效機(jī)理及分析診斷[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2006(8)：22-23.[5] 趙聲衡．精密恒溫槽原理[M].長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

[6] 詹志強(qiáng)，陸福敏.數(shù)字通信儀器高穩(wěn)時(shí)基日老化率的簡(jiǎn)單測(cè)量方法[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2006(2)：54-59.

(責(zé)任編輯 陳炳權(quán))

Designof50MHzHignStabilityOCXO

XIONG Qi1,ZENG Jianping2

(1.Hunan Industry Dolytechnic,Changsha 410082,China;2.College of Physics and Micro Electronics,Hunan University,Changsha 410012,China)

Through the analysis on the oscillating and temperature controlled circuits,a 50 MHz high stability miniature OCXO (Oven Controlled X tal Oscillator) is designed.The Pierce parallel circuit and the DC thermostatic circuit are used respectively as the oscillating circuit and temperature controlled circuit.The structure of oven is improved for smaller size and the measurement results of some simples are given in the end.

high stability;miniature;oscillator;oscillating circuit;oven

1007-2985(2014)04-0043-03

2014-03-21

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(13C199)

熊 琦(1957-)，男，湖南湘陰人，湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教授，碩士，主要從事射頻器件與集成電路研究.

TN384

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2014.04.010