關于恒溫晶振頻率跳變和低溫不起振問題的研究

上海航天電子技術研究所 王 洋 李思敏

關于恒溫晶振頻率跳變和低溫不起振問題的研究

上海航天電子技術研究所 王 洋 李思敏

由于恒溫晶振的頻率穩定度最好,頻率精度優于10-8且相位噪聲低,因此恒溫晶振在雷達、航空航天等頻率精度要求非常嚴格的電路中得到廣泛應用.但由于恒溫晶振有控溫電路,而晶體對溫度較為敏感,加電前期容易出現頻率跳變的問題,這會導致晶振頻率穩定性和精度大大降低,嚴重的會導致使用恒溫晶振設計制作的產品出現失鎖或者誤碼等嚴重問題;另外低溫下恒溫晶振不起振也是致命的問題,這相當于使用恒溫晶振設計制作的電路的"心臟停止跳動",是嚴格禁止的.所以有必要對恒溫晶振的頻率跳變和低溫不起振問題進行深入研究.本文從恒溫晶振的內部構成及工作機理入手,深入分析了恒溫晶振頻率跳變和低溫不起振的原因,提出了具體的解決辦法,對于使用恒溫晶振進行電路設計制作的電路設計人員來說,有一定的參考作用.

恒溫晶振;頻率穩定性;頻率精度;頻率跳變;低溫不起振

0 引言

石英晶體振蕩器是利用石英晶體諧振器作濾波元件構成的振蕩器,其振蕩頻率由石英晶體諧振器決定.與LC諧振回路相比,石英晶體諧振器具有很高的標準性和極高的品質因數,因此石英晶體振蕩器具有較高的頻率穩定度,采用高精度和穩頻措施后,石英晶體振蕩器可以達到10-6~10-9的頻率穩定度[1].本文所涉及的為串聯型恒溫晶體振蕩器,對此類恒溫晶振中出現的頻率跳變和低溫下不起振的問題進行分析和研究.

1 恒溫晶振的介紹

1.1 恒溫晶振的基本特點

振蕩器是自動地將直流能量轉換為具有一定波形參數的交流振蕩信號的裝置.和放大器一樣,它也是一種能量轉換器.它與放大器的區別是不需要外加信號的激勵,其輸出信號的頻率、幅度和波形僅僅由電路本身的參數決定[2].

電路原理方框圖如圖1所示:

圖1 恒溫晶體振蕩器的原理框圖

本文所討論的恒溫晶振屬于串聯諧振型晶體振蕩器,即電容三點式反饋振蕩器,只是反饋信號要經過晶體后才能送到發射極和基極之間.石英晶體在串聯諧振時,阻抗接近于零,此時正反饋最強,滿足振蕩條件.偏離串聯諧振頻率,阻抗變大,正反饋減弱,不滿足振蕩條件.因此這種電路的振蕩頻率和頻率穩定度都取決于石英晶體的串聯諧振頻率.

恒溫晶振最突出的特點就是控溫電路,圖1中點畫線框內表示一恒溫槽,它是一絕熱的小容器,晶體安放在此槽內.恒溫的原理為:槽內的熱敏電阻作為電橋的一臂,當溫度等于晶體的拐點溫度時,電橋輸出直流電壓經放大后,對加熱電阻絲加熱,以維持平衡溫度;當環境溫度變化,從而使槽溫偏離原來溫度時,通過熱敏電阻的變化改變加熱電阻的電流,從而減少槽溫的變化.圖中的自動增益控制功能(AGC)起到振幅穩定的作用,同時,由于振蕩器振幅穩定,晶體的激勵電平不變,也使得晶體的頻率穩定.恒溫晶體振蕩器的頻率穩定度可達到10-7~10-9.穩定度雖高,但存在著電路復雜、體積大、重量重等缺點,應用上受到一定限制[1].

晶體在其溫度拐點處頻率穩定性最好,其溫度拐點根據每個晶體的特性而各不同,把加熱槽的溫度通過熱敏電阻控制在晶體的溫度拐點處,從而使得晶振輸出頻率具有最佳的穩定性.

1.2 晶體振蕩器的工作特性

本文所討論的恒溫晶振的振蕩部分的電原理圖如圖2所示.這是一個典型的電容三點式晶體振蕩器(又稱為考畢茲電路),根據"射同余異"的判別原則,晶體與L2*并聯在振蕩頻率處相當于一個高Q值且阻抗非常低的電感, C8*、C9*是回路電容,L1*是回路電感,L2*是與晶體并聯的可調電感,用以消除晶體的寄生振蕩,C7*作為晶體的負載電容,可使晶振頻率改變幾KHz,用以調整輸出頻率公差.在其交流等效電路中,L1*與C8*、C9*共同構成外圍的LC并聯諧振回路.下面簡單介紹一下晶體的等效電路.

圖2 恒溫晶振振蕩電路部分

如圖3、圖4所示,晶體等效電路有三個電抗元件,故有兩個頻率,一個串聯諧振頻率ωs,一個并聯諧振頻率ωp;一般地,C為10-2pF,C0遠遠大于C,為若干pF,且有如下關系:

AB兩端的阻抗公式及電抗特性如下:

圖3 晶體等效電路

圖4 晶體的電抗特性

如圖2、圖3所示,在反饋支路中,通過晶體的信號除了通過L、C、R外,還可通過C0產生寄生振蕩,因此在晶體兩端并上一可調電感L2*,使之與C0并聯諧振,這樣在串聯諧振頻率ωs(即Z=0)處使電阻R4上得到最大反饋電壓,從而產生晶體振蕩.對于其他并聯諧振頻率處,反饋支路的阻抗均等于∞,使得R4上的反饋電壓最小而不起振,從而保證晶體穩定工作在晶體的串聯諧振頻率處.

2 關于恒溫晶振的問題分析及解決方案

2.1 頻率跳變問題及解決

在調試某恒溫晶振電路中(見圖1),采用頻率采集設備對輸出頻率進行采集,并觀測其頻率波動,發現加電1min左右出現頻率跳變,有1050Hz左右的跳變幅度,經過13倍頻器后,會產生13.65KHz左右的載波頻偏,使單機的載波性能產生較大的影響,可能導致載波短時間失鎖,傳輸數據誤碼率將不能保證,產品質量也隨之出現問題.

針對上面的問題,有兩個解決方案:

圖5是反映晶振回路LC并聯諧振的阻抗特性曲線圖,其中ω0為LC并聯諧振的角頻率,f0為諧振頻率,R0為諧振電阻,B為LC并聯諧振回路的3dB帶寬.

圖5 LC并聯諧振阻抗特性

(1)減小L1*兩端的電阻R3*,從而有效降低LC并聯諧振回路的Q值(見公式(2)),使得阻抗特性曲線變得平緩一些,也使得晶體本身的串聯諧振頻率落在LC并聯諧振回路的B之內,最好是串聯諧振頻率恰好等于LC并聯諧振頻率,這樣當晶體的負載阻抗變化或溫度的變化引起輸出頻率漂移時,晶體本身的諧振頻率依然可以和LC并聯諧振頻率保持一致,頻率輸出不會出現跳變,否則,若R3*偏大,則LC并聯諧振回路的Q值增大,阻抗特性曲線會變得比較尖銳,一旦晶體溫度變化或負載阻抗變化時,晶體頻率就會出現較大波動,晶體自身的串聯諧振頻率可能會跳出LC并聯諧振回路的3dB帶寬之外,使晶體串聯諧振頻率跳變到LC并聯諧振回路的振蕩頻率處,這樣晶振輸出頻率會出現跳變.基于此,適當降低R3*的值,會使晶振頻率跳變問題得到解決.

若忽略L1*本身的阻抗,則L1*與電阻R3*并聯后的Q值如下:

(2)從調試的方法入手,頻率跳變問題也能得到解決.具體調試方法步驟如下:

①先將晶體短路,調節L1*(大范圍調節可改變圈數,小范圍可調磁芯)使振蕩頻率落到晶體串聯諧振頻率附近;

③此時再調節L1*的磁芯,晶振輸出頻率變化較小,若是變動較大,則說明電路中依然存在寄生振蕩,這時需調節與晶體并聯的L2*,直至寄生振蕩消除,最后再調整L1*的磁芯,晶振輸出頻率變化不大,則調試完畢.

按照上面3個步驟調試的晶振,使晶體本身的串聯諧振頻率和LC并聯諧振頻率接近或一致,則輸出頻率比較穩定,準確性高,可以解決出現頻率跳變的問題.

2.2 恒溫晶振低溫不起振問題及解決

在某單機的調試階段,常溫下晶振工作正常且能滿足產品性能的指標要求,但在高低溫循環試驗過程中,發現低溫時頻譜儀觀測不到輸出頻譜,經一一排查發現晶振模塊觀測不到輸出信號,嚴重影響了單機的質量和任務的進度.對于此現象分析示意如圖6所示[4].

圖6 低溫下停振的故障樹

(1)器件故障

利用萬用表通過對電路晶體管的靜態工作點測試可以確定晶體管是否損壞,將測試數據與以前測試的數據進行比對,數據正常,排除了晶體管損壞的可能;在焊錫時,當錫絲透過線路板上小孔滲過,導致引腳跟外殼連接在一起,或者兩條引腳的焊錫點相連都會造成短路,引起停振,觀察發現焊點飽滿沒有虛焊或漏焊現象,引腳未發現氧化或鍍層脫落.

(2)外圍電路故障

如果供電電路開路或短路,單元將無法正常供電,晶振模塊將沒有信號輸出,此時對電路電源模塊進行靜態阻抗測試,確認該模塊供電沒有開路或短路現象,供電電壓和電流與以前調試記錄比對一致性好,故此項可以排除;再將晶振放入溫箱進行高溫試驗,保溫發現仍然不能起振,排除是PCB板受潮的影響;因為晶振的輸出能力有限,僅僅輸出以毫瓦為單位的電能量,在放大電路中,通過放大器將這個信號放大幾百倍甚至上千倍才能正常使用.而晶振和放大電路的走線越長,接收到的信號就越強,產生的電能量就越強,直到接收到的電信號強度超過或接近晶振產生的信號強度時,放大電路輸出的不再是固定頻率的波形了,而是亂七八糟的信號,導致數字電路無法工作而產生停振現象.所以要保證引腳質量,觀察引腳走線正常.

(3)振蕩器電路故障

低溫下不起振問題源于低溫下晶振不滿足起振條件,具體為振蕩反饋系數在低溫下偏低或者使環路增益偏小造成的.反饋系數的大小一般取0.2~0.5;起振時環路增益一般取3~5.解決此問題一般從這兩個方面重點考慮.

圖7 反饋式振蕩器組成框圖

反饋式振蕩器有兩部分組成:放大器和反饋網絡[3],如圖7所示.

反饋系數為:

晶振起振條件表示為:

如圖2所示,此晶振的反饋系數如下式:

從式(7)可以看出,低溫不起振有可能是反饋系數偏小引起,反饋系數偏小,會使得反饋量減小,即振蕩管的輸入信號偏弱,低溫下,電容值會發生微小改變,使得比值降低,所以適當增加或減小都可以有效提高反饋系數,從而低溫下晶振容易起振,問題得以解決.

如圖2所示,此晶振電路屬于共基組態振蕩電路,電流增益約等于1,而電壓增益,gm為晶體管的跨導,當晶體管選型后,可認為其是一固定值,如果負載電阻RL過小,放大器的電壓增益就偏低,環路增益也就較小,起振幅度不滿足起振條件,晶振在低溫下可能停振.所以在共基組態放大器后面緊接一個共集放大器,從而有效提高振蕩三極管的電壓增益,使其在低溫下更易起振.因為共集放大器輸入阻抗較大,而輸出阻抗較小,這相當于振蕩三極管的負載阻抗RL較大,增益也較大;另一方面共集放大器對輸入輸出之間起著隔離緩沖的作用,使輸入輸出的相互影響減弱,在共基組態振蕩三極管的后面緊跟著一個共集放大器,會有效提高環路增益,能有效避免低溫不起振問題的發生.

3 結束語

本文對數據傳輸設備中廣泛使用的恒溫晶振進行了分析,尤其是可能會出現的頻率跳變和低溫停振的問題進行了研究,并提出相應的解決方法,便于再碰到類似問題能夠精準定位、快速解決.

(1)振蕩電路主要有兩種誤差來源,第一是石英晶振元件本身存在不同的精度;第二就是其本身的溫度特性,也就是頻率隨溫度變化會產生偏差的現象,本文對頻率跳變的問題采用減小并聯諧振電路的Q值或者改善調試方法入手來加以解決.

(2)晶振起振后因為外界環境因素的變化導致停振,本文討論的是周圍外加振蕩電路不匹配的問題,從適當增大反饋系數或者適當提高環路增益的角度來分析.

本文主要討論調試工作中常見的恒溫晶振頻率突跳和低溫不起振的問題,對于以后的工作實踐中如何避免此類問題具有重要的指導意義.

[1]曾興雯,劉乃安,陳健,付衛紅編.高頻電子線路(第二版)[M].高等教育出版社,2009-11:155-160.

[2]高吉祥主編.高頻電子線路(第二版)[M].電子工業出版社,2009-07:141,169-171.

[3]張義芳編著.高頻電子線路(第四版)[M].哈爾濱工業大學出版社,2009-07:102.

[4]范義平.一種振蕩器停振的原因分析及解決方法[J].電訊技術,2008-02-15:102.

王洋(1984-),碩士,上海航天電子技術研究所工程師,主要從事宇航產品調試.

李思敏(1991-),大學本科,上海航天電子技術研究所助理工程師,主要從事宇航產品調試.