一種高穩(wěn)定恒溫晶振的設(shè)計(jì)

楊紅利

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)晶體振蕩器提出了更高的要求，其頻率的穩(wěn)定性需要有一定程度的提高，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要采取有效的措施和手段，所以，對(duì)標(biāo)頻是10MHz的高穩(wěn)定性的低相噪恒溫晶體振蕩器進(jìn)行了全面的設(shè)計(jì)。對(duì)晶體振蕩器在短時(shí)間中的穩(wěn)定度進(jìn)行了充分的研究和分析，從中得出了短時(shí)間中穩(wěn)定度提高的手段和措施，同時(shí)，將其分析結(jié)果作為重要的依據(jù)和參照，開(kāi)展振蕩電路的設(shè)計(jì)，接著，對(duì)ADS諧波平衡仿真工具進(jìn)行了充分的應(yīng)用，對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行充分的優(yōu)化，由此得到與預(yù)期比較貼合的相位噪聲仿真曲線。并且，將優(yōu)化的最終參數(shù)指導(dǎo)作為重要的依據(jù)，設(shè)計(jì)除了設(shè)計(jì)的樣品。

關(guān)鍵詞：高穩(wěn)定；恒溫；晶振；設(shè)計(jì)

在時(shí)頻檢測(cè)和控制領(lǐng)域中，晶振占據(jù)著至關(guān)重要的位置，是其使用頻率最高的基礎(chǔ)元件，其具體的應(yīng)用是提供精密頻率標(biāo)準(zhǔn)和時(shí)間基準(zhǔn)。對(duì)于晶振性能來(lái)說(shuō)，對(duì)其有著最重要的影響的是短時(shí)間內(nèi)的頻率穩(wěn)定度，在此情況下，對(duì)晶體振蕩器在短時(shí)間中的頻率穩(wěn)定度進(jìn)行充分的研究和分析有著很大的必要性。短時(shí)間內(nèi)的頻率穩(wěn)定度在時(shí)域和頻域中有著相應(yīng)的表征，分別是阿倫方差和相位噪聲。但是，阿倫方差有著一定的劣勢(shì)，主要包括計(jì)算難度和仿真難度都是比較大的，所以，在本文中，選擇了在時(shí)域中進(jìn)行相應(yīng)的分析和研究，在頻域中進(jìn)行仿真操作，那么，就設(shè)計(jì)出了標(biāo)頻是10MHz的恒溫晶體振蕩器，并且對(duì)其進(jìn)行了全面的檢測(cè)，從中發(fā)現(xiàn)，其相位噪聲和短時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定度都滿足了相應(yīng)的要求，能夠?qū)⑵洚?dāng)做穩(wěn)定的頻率信號(hào)源。

一、短時(shí)間內(nèi)的頻率穩(wěn)定度闡釋

在短時(shí)間中頻率穩(wěn)定度的變化是由相應(yīng)的因素所導(dǎo)致的，主要包括噪聲等。在此基礎(chǔ)上，如果要得到比較高的短時(shí)間之內(nèi)的頻率穩(wěn)定度，需要采取有效的措施和手段將電路中的噪聲進(jìn)行較大程度的降低，并且盡可能使其維持在最低程度。在對(duì)晶體振蕩器的相位噪聲進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)測(cè)的過(guò)程中，對(duì)大量的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了充分的分析和研究，多種數(shù)學(xué)模型中有著比較大的優(yōu)勢(shì)的是Leeson模型，其便捷性非常突出，所以，在進(jìn)行相應(yīng)的分析和研究的過(guò)程中將其作為重要的基礎(chǔ)和依據(jù)[1]。在此模型中有著相應(yīng)的相位噪聲的表達(dá)公式：

從此公式中可以發(fā)現(xiàn)，要對(duì)相位噪聲進(jìn)行一定程度的降低，需要選擇高有載因數(shù)值的晶體。

要提高分析的簡(jiǎn)便性，在此情況下，假設(shè)放大器中存在的噪聲只有閃變?cè)肼暫桶自肼暎梢杂孟鄳?yīng)的公式對(duì)放大器中的信號(hào)噪聲功率譜密度進(jìn)行表達(dá)：

在此公式中，不同的符號(hào)代表著不同的意思，f0、fm、F、K、T、Psi、QL分別代表的是載波頻率、偏離載波頻率、噪聲系數(shù)、波爾茲曼常數(shù)、絕對(duì)溫度、輸入信號(hào)功率和有載品質(zhì)因數(shù)[2]。

可以將以上的公式寫(xiě)成冪級(jí)數(shù)的形式：

將時(shí)域和頻域的轉(zhuǎn)換關(guān)系作為重要的依據(jù)和參照，可將其進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，從中可得：

這項(xiàng)公式也就是阿倫方差表達(dá)式，把多種噪聲參數(shù)帶入到上式中，可以得到：

其中，fh所表示的是測(cè)試系統(tǒng)寬帶。

從上式中可以發(fā)現(xiàn)，多種噪聲對(duì)短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定度的影響的估算公式：

然后，對(duì)短時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定度進(jìn)行相應(yīng)的估算。將10MHz的高溫晶振作為主要的對(duì)象，將多種參數(shù)帶入其中，通過(guò)對(duì)以上公式的應(yīng)用，來(lái)對(duì)1秒中的短時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的估算。對(duì)短時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定度的變化的方向和趨勢(shì)進(jìn)行相應(yīng)的研究和分析，從而發(fā)現(xiàn)對(duì)秒級(jí)短時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定度產(chǎn)生影響的因素。

從上表中可以得出，對(duì)于秒級(jí)短時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定度產(chǎn)生的影響最大的是閃頻噪聲。當(dāng)在晶體管發(fā)射極串聯(lián)相應(yīng)的負(fù)反饋電阻的時(shí)候，能夠在一定程度上降低系統(tǒng)的閃變?cè)肼暎裕梢酝ㄟ^(guò)采取有效的措施和手段來(lái)的秒級(jí)的穩(wěn)定度進(jìn)行相應(yīng)的改善，主要就是選擇增加負(fù)反饋電阻的方式。同時(shí)，閃變?cè)肼曤娖脚c有載品質(zhì)因數(shù)值基本上是呈現(xiàn)反比的關(guān)系的，在此情況下，能夠?qū)Ω哂休d品質(zhì)因數(shù)值進(jìn)行充分的應(yīng)用，對(duì)秒級(jí)穩(wěn)定度進(jìn)行有效的改善[3]。將上表中的數(shù)據(jù)作為重要的依據(jù)和參照，從中發(fā)現(xiàn)，晶體管集電極電流減小的時(shí)候，秒級(jí)短時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定度會(huì)得到相應(yīng)的改善，所以，需要從對(duì)振蕩管集電極電流的角度入手，對(duì)秒級(jí)短時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定度進(jìn)行有效的改善，不過(guò)，從電路設(shè)計(jì)的角度來(lái)說(shuō)，集電極電流是不可以過(guò)低的，如果存在過(guò)低的情況，必定會(huì)對(duì)振蕩器的起振產(chǎn)生重大的影響。

除此之外，對(duì)相應(yīng)的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行相應(yīng)的分析和研究，從中發(fā)現(xiàn)，在晶體的激勵(lì)不斷增大的時(shí)候，秒級(jí)短時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定度不斷惡化，然后利用同樣的方法對(duì)晶體振蕩器的毫秒級(jí)穩(wěn)定度進(jìn)行相應(yīng)的估算，從中發(fā)現(xiàn)，在晶體的激勵(lì)不斷增大的時(shí)候，毫秒級(jí)短時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定度得到了相應(yīng)的改善。同時(shí)，在頻域中也有著相應(yīng)的表現(xiàn)，主要就是電路的激勵(lì)有所提高之后，相位噪聲近旁有一定程度的惡化，遠(yuǎn)端得到相應(yīng)的改善。圖表中的數(shù)據(jù)是通過(guò)同一個(gè)晶振的參數(shù)進(jìn)行估算的，所以，沒(méi)有辦法從有載品質(zhì)因數(shù)的角度進(jìn)行相應(yīng)的闡釋。

二、測(cè)試結(jié)果

在仿真操作的過(guò)程中得到了相應(yīng)的數(shù)據(jù)，將其作為重要的依據(jù)和參照，對(duì)10MHz恒溫晶振的樣品進(jìn)行了相應(yīng)的制作[4]。

（1）通過(guò)相位噪聲測(cè)試得到相應(yīng)的結(jié)果：當(dāng)樣品制作出來(lái)之后，對(duì)相應(yīng)的信號(hào)源分析儀進(jìn)行充分的應(yīng)用，由此對(duì)樣品進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，從中可以得到相應(yīng)的結(jié)果。

（2）通過(guò)阿倫方差測(cè)試得出了相應(yīng)的結(jié)果，這項(xiàng)晶體振蕩器在1秒的短時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定達(dá)到了1.1*1012。

三、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)本文中的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的分析和研究，從中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)振蕩器晶體管的集電極電流和晶體的激勵(lì)電流進(jìn)行科學(xué)、合理的設(shè)置，為晶體電流的恒定提供重要的保障。同時(shí)，在對(duì)電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中，采取有效的措施在更大程度上降低晶體管的閃變?cè)肼暎瑥亩鴮?duì)晶體振蕩器的短時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定度進(jìn)行有效的改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]黎榮林，陳萍萍，黎敏強(qiáng)，王雪艷.一種高穩(wěn)定恒溫晶振的設(shè)計(jì)[J].電子器件，2016，02：329333.

[2]黎敏強(qiáng)，路烜，趙瑞華，陳中平，王占奎.一種恒溫晶振專(zhuān)用集成電路芯片設(shè)計(jì)[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2012，11：832835.

[3]蔣松濤.一種小型超低相噪恒溫晶振的設(shè)計(jì)[J].壓電與聲光，2015，03：420422+426.