試析新型二次補償恒溫—溫補晶振的設計

張萱

摘 要：隨著時代的進步與科技的快速發展，當前通信技術對晶振在環境溫度發生變化條件下的穩定性要求越來越高。其中在10MHZ頻率使用情況最為普遍，這是圍繞表面貼裝器件封裝的壓控溫補晶振來具體操作的，具體就是采用恒溫控制加二次補償方案的溫補晶振。本文將會著重闡述使用該方法的設計以及測試，希望能夠得到一些借鑒和參考。

關鍵詞：二次補償；晶振；穩定性；恒溫控制

大家都知道的是，當前能夠影響石英晶振穩定性的主要因素有溫度、電壓以及晶體老化等等。其中以溫度的影響程度最大。就目前而言最為常見的晶振包括模擬補償晶振、數字補償晶振和微機補償晶振三種。數據顯示，傳統的模擬補償晶振頻率溫度穩定度可達1*10-6，而且相位噪聲優良，但是因為熱敏網絡結構限制通常占據很大體積。數字補償晶振頻率溫度穩定度可達2*10-7，其相位噪聲不佳，但是體積小。一般而言，傳統的恒溫晶振由于功率消耗較大，采用的是5V供電，最大電流甚至超過300毫安。下面主要是為大家介紹10MHZ，體積為雙列直插式的壓控溫補晶振為核心，采用恒溫控制加二次補償的方案（3.3V供電）。

一、整體結構的具體設計

現階段，二次補償恒溫-溫補晶振主要由四個部分共同組成：溫補網絡（簡易），壓控溫補晶振，方波輸出和恒溫網絡。具體地說，首先使用恒溫網絡恒溫控制壓控溫補晶振，盡可能縮小壓控溫補競爭的實際工作區域，最大限度的優化頻率溫度穩定性。然后使用溫補網絡結合壓控端電壓頻率的控制關系，根據實際情況輸出合適的壓控電壓，從而對恒溫后的壓控溫補晶振加以二次補償，最終讓頻率溫度穩定度達到最優狀態。

二、關鍵技術的使用

（一）合理選擇SMD壓控溫補晶振

前面已經提到，此方案采用的是簡易型溫補網絡進行二次補償方式，其網絡輸出的電壓為單調趨勢的線性電壓，為了滿足使用的需要，就必須要求恒溫后的壓控溫補晶振溫度頻率曲線必須也是單調線性，不允許有拐點的存在。除此之外，由于數字補償的溫度曲線非連續線性曲線，一定要使用模擬補償的壓控溫補晶振，而且受到尺寸上的嚴格限制，經過無數次的測試，最好的選擇就是SMD32*25壓控溫補晶振。

（二）選擇網絡補償

結果表明，經過恒溫加熱的壓控溫補晶振，在-20攝氏度至70攝氏度范圍內工作的條件下，其溫度頻率特性得到很大程度的改善，在正常情況下能夠很好的滿足二次補償，該設計選用的是簡易溫補網絡，具體設計如下圖（圖1）所示。

從上圖我們可以清楚地看到，由電源供電，經過穩壓模塊輸出一個較為穩定的工作電壓，然后經電阻R1，R2進行分壓。再根據所選用壓控溫補晶振的壓控頻率斜率關系，實際測量的溫度頻率特性曲線的變化趨勢一目了然（恒溫后），此時選擇適當的B值熱敏電阻，同時調整固定值電阻R3、R4、R5、R6輸出一組趨勢單調的反向線性電壓，最終得到準確無誤的二次補償。另外，經過補償后的恒溫-溫補晶振在-20攝氏度至70攝氏度范圍內穩定度明顯優于5*10-8。

（三）合理選擇恒溫控溫電路

進過反復的測試發現，在-20攝氏度至70攝氏度范圍內壓控溫補晶振溫度頻率特性曲線具有很強的連續性并且存在多個拐點，尤其是在超過60攝氏度以后會呈現單調上升趨勢，這就能夠符合該設計二次補償的條件，此時應當采用恒溫加熱的方式最大限度的縮小實際工作的溫度區間。等到通電后，熱敏電橋會在瞬間產生較大的失衡輸出電壓，功率管立即處于加熱功率的最大值。而且電橋失衡電壓會伴隨著晶振內部溫度不斷上升而逐漸減小，待加熱到所需控制溫度時，電橋的平衡輸出電壓會維持在一個固定值上，控溫電路通過平衡加熱，此時產生的熱量與損耗的熱量保持一致。如果外界溫度發生了變化，熱敏電阻阻值必然隨之發生變化，電橋相對平衡輸出電壓也一定會發生改變，此時相關工作人員應當通過調整電流和電壓來修正晶振內部的溫度變化。

（四）調試補償網絡

觀察發現，該設計所選用的SMD壓控溫補壓控晶振的斜率為正值，此時壓控頻率拉動關系為+0.05V或者+0.38HZ，經過恒溫控制后的溫度頻率特性曲線為單調上升（線性），在這種情況下業界人士應當第一時間將熱敏電阻RT1棄用，轉而選擇RT2的統一規格，從而設定R3、R4、R6的估值電阻準確的計算出R5阻值（反向電壓曲線后）。

三、結語

綜上所述，隨著現代通信技術的迅猛發展，傳統的二次補償恒溫-溫補晶振的設計必須要有所改變。我們從測試結果可以清楚的看到，采用恒溫控制加二次補償的方法能夠將溫度頻率穩定度有效控制在5*10-8范圍內。但是需要特別提醒的是，該方案沒有采用單片機，這將會在很大程度上降低成本投入，而且又兼具體積小和功耗低的明顯優勢（相比恒溫晶振而言）。另外，相關工作人員在選擇壓控溫補晶振的過程中，為了最大限度的滿足恒溫控制以及二次補償的條件，必須使其壓控頻率特性以及溫度頻率特性保持高度的一致。這樣就可以很好的彌補傳統溫補晶振的不足，更好的滿足市場需要。

參考文獻：

[1] 陳曄，汪春暉.新型二次補償恒溫-溫補晶振的設計[J].計算機與網絡，2014.

[2] 法帥，劉蘭軍.一種高精度溫度補償晶振自動標定與測試系統設計[J].中國科技論文，2015.