一種小型高頻恒溫晶體振蕩器設(shè)計

蘇 霞 韓艷菊 王 巨 羅夢佳 于姍姍 鄭鴻耀

（北京無線電計量測試研究所，北京100039）

1 引 言

隨著無線通信和現(xiàn)代國防技術(shù)的發(fā)展，晶體振蕩器作為常用的頻率源，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、導(dǎo)航、通信、雷達以及測量儀表等電子設(shè)備中，被稱為電子系統(tǒng)的“心臟”。而恒溫晶體振蕩器因其具有頻率溫度穩(wěn)定性好、相位噪聲小、可靠性高等優(yōu)點，更是受到中、高端電子設(shè)備的青睞。同時，整機設(shè)備的進步和發(fā)展也對恒溫晶振提出了更高的要求，小型化、高頻化、低相噪、高穩(wěn)定、快速啟動勢必將會成為其今后發(fā)展的方向。

如今，國內(nèi)對晶體振蕩器的研究已有了突飛猛進的發(fā)展，就目前來看，對于100MHz小型恒溫晶振，國內(nèi)大部分產(chǎn)品的指標可以達到短期穩(wěn)定度1E-11/1s的量級，典型相位噪聲-100dBc/Hz@10Hz、-155dBc/Hz@1kHz、-165dBc/Hz@10kHz，但難以做到同時具有較好的近端和遠端相噪。本文所設(shè)計的晶振在短期穩(wěn)定度上有了進一步的提高，可以進入5E-12/1s量級，同時在相位噪聲上也有一定的提升，并且能較好的兼顧近端和遠端相噪。

2 設(shè)計方案

本產(chǎn)品的主要技術(shù)指標要求如下：

1）輸出頻率：100MHz

2）輸出功率：≥ 8dBm

3）諧波失真：≤ -30dBc

4）雜波響應(yīng)：≤ -80dBc

5）短期穩(wěn)定度：≤5E-12/s

6）相位噪聲：￡（10Hz）≤ -105dBc/Hz

￡（100Hz）≤ -135dBc/Hz

￡（1kHz）≤ -160dBc/Hz

￡（10kHz）≤ -170dBc/Hz

7）尺寸：25.4mm×25.4mm×12.7mm

從上述指標可以看出，該產(chǎn)品的設(shè)計難點是體積較小、短期穩(wěn)定度和相位噪聲要求較高，另外，由于元器件排列緊密，工作頻率較高，故各元器件之間以及印制板上的分布電容對于振蕩電路相位噪聲等性能的影響就顯得尤為突出，因此在元器件選用、布板和電路結(jié)構(gòu)設(shè)計上都有更多需要考慮的因素。晶振外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 晶振外形尺寸圖Fig.1 Outline dimension of OCXO

2.1 電路結(jié)構(gòu)

恒溫晶振主要組成部分包括振蕩部分和控溫部分，其中振蕩部分又包括主振電路、隔離放大電路、濾波電路等，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of circuits

2.2 關(guān)鍵元器件的選用

恒溫晶振設(shè)計中，晶體、晶體管、穩(wěn)壓器等器件的選用最為關(guān)鍵。

目前，比較常用的晶體主要有AT切型和SC切型兩種。由于SC切晶體具有開機特性好、Q值高、老化率低、頻率溫度系數(shù)小、短期穩(wěn)定度好等特性，逐漸成為恒溫晶振最常用的晶體類型。但SC切晶體的頻譜比較復(fù)雜，尤其是它的B模振動頻率只比所需的C模振動頻率高9.4%，而且其等效串聯(lián)電阻和C模相當(dāng)，有時甚至比C模電阻還小，因此在使用SC切晶體時，振蕩電路很容易振到B模振蕩頻率上，故在電路設(shè)計中需要加入專門的B模抑制網(wǎng)絡(luò)來加以抑制［1］。在本設(shè)計中，最終選擇SC切5次泛音晶體。

晶體管是電路中重要的有源器件，根據(jù)Leeson相位噪聲公式可知，管子輸出功率高、放大電路噪聲小、電路有載Q值高都有利于晶振相噪的降低，因此在選用晶體管時應(yīng)選擇噪聲系數(shù)小、截止頻率高、基極電阻小、集電極電容小的管子，同時，較高的β值也可提高電路的有載Q值。

為保證電路獲得穩(wěn)定的、紋波小的直流電壓，穩(wěn)壓器是必不可少的，然而它引入的噪聲也是不容忽略的。基于本文晶振的低相噪要求，在設(shè)計時應(yīng)選用低噪聲穩(wěn)壓器［2，3］。

2.3 振蕩電路設(shè)計

前面已經(jīng)提到，振蕩電路包括主振電路、隔離放大電路、濾波電路等，振蕩電路是恒溫晶振最關(guān)鍵的部分，它設(shè)計的好壞，直接影響到恒溫晶振的頻率穩(wěn)定性、輸出幅度、相位噪聲等參數(shù)。

2.3.1 主振電路

主振電路的作用是將直流能量轉(zhuǎn)換成所需振蕩頻率的交流能量，是晶體振蕩器的核心。本設(shè)計的主振電路采用改進的Colpitts電路，晶體接在集電極與基極之間，且集電極交流接地［4］。同時在經(jīng)典電路基礎(chǔ)上做了改進：晶體一端不直接接地，通過接入下一級共基放大電路的輸入端的方式完成接地。其等效電路圖如圖3所示。

圖3 主振等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram of oscillating circuit

圖3中，晶體接地，易于校頻、壓控，具有調(diào)試量小、起振容易、性能可靠等優(yōu)點。且振蕩信號直接從晶體引出，充分利用了其本身的選頻特性，能夠獲得更好的相位噪聲、短期穩(wěn)定度等性能。

圖3中，B模抑制網(wǎng)絡(luò)為LC串聯(lián)諧振回路，等效為電容C1'，其回路諧振頻率滿足式（1），用于抑制B模振蕩：

式中：f0——中心振蕩頻率；fB——B模振蕩頻率。

圖3中，電容C2'為LC并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的等效電容，該并聯(lián)回路諧振頻率滿足式（2），用于抑制低頻泛音：

式中：f0——中心振蕩頻率；f3次泛音——3次泛音振蕩頻率。

由圖3可以看出，這是一個電容三點式振蕩電路［5］。晶體所在支路等效為電感L，與等效電容C1'、C2'共同構(gòu)成該電容三點式振蕩電路。當(dāng)并聯(lián)諧振回路諧振時，振蕩電路滿足振蕩的相位平衡條件，可得電路中心振蕩頻率f0為：

式中：C=C1'C2'/(C1'+C2')——并聯(lián)諧振回路總電容值。

電路反饋系數(shù)近似為：

通過合理設(shè)計等效電容C1'、C2'，使電路獲得較高的等效Q值，利于起振，且能得到較大的輸出電壓幅度。

設(shè)計中加入中和電感與晶體并聯(lián)，可以提高晶體有載Q值，增強振蕩激勵，利于起振。變?nèi)荻O管用于調(diào)頻和壓控，將其與電容并聯(lián)后，再串聯(lián)電容（等效為圖3中CL），可在一定程度上改善線性度，還能有效地控制壓控靈敏度。

2.3.2 隔離放大和濾波電路

隔離放大電路是為了進一步提高晶振的穩(wěn)定性而設(shè)計的電路。為了減小負載變化對振蕩級的影響，第一級隔離放大級為上一節(jié)提到的共基放大電路，該電路的輸入阻抗很小，且具有非常好的高頻特性，利于低相噪高頻晶振的設(shè)計。

第二級放大電路采用共發(fā)射極形式，如圖4所示，該電路具有較大的電壓放大倍數(shù)和適中的輸入輸出阻抗。兩級放大電路的加入，既可實現(xiàn)功率的放大，又可減小負載變化對晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響，提高了晶振帶負載能力［6］。

圖4 共射放大電路Fig.4 Common emitter amplifying circuit

本設(shè)計在兩級放大電路后端都加入π形濾波網(wǎng)絡(luò)，有利于抑制諧波失真，降低相位噪聲，同時較好地實現(xiàn)阻抗匹配。

2.3.3 電磁兼容設(shè)計

小型晶振由于體積較小，產(chǎn)品內(nèi)部信號更容易相互干擾，且在實際工作中，所處的電磁環(huán)境都比較復(fù)雜，因此在設(shè)計和布板布線時，電磁兼容的影響必須考慮在內(nèi)。

在元器件選擇上，由于表貼元件的寄生參數(shù)遠小于直插式元件，故在設(shè)計中，均選用體積小、寄生參數(shù)低的小封裝表貼元件，在大大減小寄生的同時，又節(jié)省了空間，更利于產(chǎn)品小型化的實現(xiàn)。

在電路設(shè)計上，加入濾波電容，防止傳導(dǎo)性電磁干擾串入電路或從電路中泄漏。考慮傳導(dǎo)、發(fā)射等因素，對電源線進行濾波是抑制干擾最有效的手段。電源在提供能源的同時，也會引入噪聲，因此在電路的電源輸入端加入濾波電容，濾除交流噪聲信號。

在布局布線上，保證信號線走線盡量短，環(huán)路面積盡量小，利于將輻射發(fā)射出去且降低輻射敏感度；同時在信號線間鋪地，避免平行走線，盡量增大間距，增強隔離性，以便減小高頻信號線間的發(fā)射和耦合；布線采用135°折線，避免出現(xiàn)90°折線。

2.4 控溫電路設(shè)計

控溫電路與恒溫槽共同構(gòu)成了控溫系統(tǒng)，控溫電路控溫能力的好壞，對于晶振頻率溫度穩(wěn)定性有直接的影響。本設(shè)計采用的是基于雙運放的直流放大連續(xù)控溫電路，原理圖如圖5所示，包括功率管V1、穩(wěn)壓器V2、高增益運放N1和N2及電阻橋式電路。由于產(chǎn)品體積較小，因此將整個腔體看作恒溫槽，晶體壓在焊于電路板的銅板上，功率管緊靠銅板放置，通過銅板給晶體加熱。經(jīng)合理排布晶體、功率管和熱敏電阻的位置，在實現(xiàn)小型化的同時，提高系統(tǒng)的控溫精度［7］。

圖5 控溫電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of temperature-controlled circuit

對于運放N2，其正負兩端輸入電壓為：

式中：VN2+——運放N2正端輸入電壓，VN2-——運放N2負端輸入電壓，Vcc——電源電壓，Vo——穩(wěn)壓器輸出電壓，VN1out——運放N1輸出電壓，I——流過電阻R3的電流，近似為功率管發(fā)射極電流。

由于接通電源瞬間，電流I=0；熱敏電阻阻值較大，其支路提供一個較高的電壓加到運放N1的負端，此電壓大于正端兩電阻分壓提供的固定電壓，故此時運放N1輸出低電平，即VN1out=0。故式（5）、（6）可簡化為：

因此，

運放N2輸出低電平，功率管V1導(dǎo)通，電流I迅速增大，導(dǎo)致VN2-減小，當(dāng)VN2+=VN2-時，達到平衡狀態(tài)，此時近似為晶振最大電流。

隨著功率管的不斷加熱，晶振內(nèi)部溫度升高，熱敏電阻阻值減小，運放N1負端電壓減小，當(dāng)負端電壓降到略低于正端電壓時，N1輸出電壓VN1out升高，由式（5）知VN2+升高，此時VN2+＞VN2-，導(dǎo)致運放 N2輸出電平升高，即V1b升高，由于V1的b、e端有固定壓差0.7V左右，故V1e抬高，I減小，因此電流開始下降，功率管加熱功率降低。當(dāng)功率管加熱速率與晶振散熱速率相等時，晶振內(nèi)部維持在一個恒定的高溫溫度，達到動態(tài)平衡。通過調(diào)節(jié)熱敏電阻支路的固定電阻，可以改變恒溫工作溫度，晶振的工作溫度位于晶體溫頻曲線的高溫拐點處，此時頻率相對于溫度的變化是最小的，可以獲得較好的頻率溫度穩(wěn)定性。

晶振的最大電流Imax可通過式（10）～（13）確定：

式中：k——運放N2放大倍數(shù)。

將式（5）、（6）帶入可得：

由于k很大，故上式右端近似為0，進而推出晶振最大電流：

從式（13）可以看出，最大電流可完全由電阻確定，在實際調(diào)試中，通過調(diào)節(jié)電阻R1和R2的比例，即可調(diào)節(jié)最大電流。因此，該電路的優(yōu)點就在于晶振的最大電流不會因晶體管β參數(shù)離散而離散，易于調(diào)節(jié)，而且?guī)缀鯚o過沖電流，電流穩(wěn)定迅速，開機啟動快。

運放N1的反饋回路接成比例積分式，有利于提高控溫系統(tǒng)的靈敏度，縮短加熱穩(wěn)定時間，同時，也將大大減小由于電源電壓抖動帶來的頻率變化［8］。

3 測試結(jié)果

根據(jù)以上方案，設(shè)計了100MHz小型恒溫晶振產(chǎn)品，其產(chǎn)品實物照片如圖6所示。經(jīng)測試性能指標良好，測試結(jié)果見表1，其相位噪聲測試曲線如圖7所示。

圖6 產(chǎn)品實物照片F(xiàn)ig.6 Photo of OCXO

表1 電性能測試結(jié)果Tab.1 Performance of OCXO

圖7 相位噪聲測試曲線Fig.7 Phase noise test curve

從表1測試數(shù)據(jù)可以看出，產(chǎn)品相位噪聲達到 -140 dBc/Hz@100Hz、-160dBc/Hz@1kHz、-172 dBc/Hz@100kHz；短 期 穩(wěn) 定 度 達 2.11E-12/1s；在-40℃～70℃的工作溫度范圍內(nèi)，頻率溫度穩(wěn)定性達到±3.0E-8。所有測試結(jié)果均滿足指標要求，并且一些指標仍有一定的裕量。

4 結(jié)束語

本文基于晶體振蕩器的基本理論，針對高頻晶振設(shè)計特點，對經(jīng)典Colpitts電路進行改進，提高Q值，優(yōu)化B模抑制網(wǎng)絡(luò)，使得調(diào)試方便，且有效地降低了噪聲?？販夭糠植捎酶倪M的直流連續(xù)控溫電路，提高了控溫精度，抑制了電流過沖。在布板上增強信號線隔離屏蔽，減少線間干擾，提高電磁兼容能力。最終獲得較高的性能指標：相位噪聲達到 -140dBc/Hz@100Hz、-160dBc/Hz@1kHz、-172dBc/Hz@100kHz；短期穩(wěn)定度達 2.11E-12/1s；頻率負載允差±2E-9；在-40℃～70℃的工作溫度范圍內(nèi)，頻率溫度穩(wěn)定性達到±3.0E-8。該產(chǎn)品具有體積小、短期穩(wěn)定度好、相位噪聲低、頻率溫度穩(wěn)定性好、帶負載能力強及可靠性高等優(yōu)點。經(jīng)過小批量試制，成品一致性較好，目前已形成產(chǎn)品，供用戶使用，順應(yīng)了小型化發(fā)展趨勢，在雷達、通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和價值。