小型低相噪恒溫晶體振蕩器設計

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(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

0 引言

在各種石英晶體振蕩器中，恒溫晶體振蕩器(OCXO)是一種頻率穩定性最好的高精密晶體振蕩器。廣泛應用于通信、導航、雷達、精密儀器儀表、測試設備中[1]。隨著大規模集成電路及表面貼裝技術的發展，精密儀器及通訊導航系統整機體積越來越小。整機的小型化對部件提出了越來越高的要求。為了獲得更高的頻率穩定度，必須采用高性能晶體諧振器、穩定的振蕩電路以及結構完善、高精度的恒溫槽[2]。小型低相噪恒溫晶振成為近年來主要關注的對象。

根據市場需要,設計了中心頻率40 MHz、溫頻特性≤±2×10-8(-30～+70 ℃)、相位噪聲≤-160 dBc/Hz@1 kHz，體積僅為20 mm ×12 mm ×10 mm的小型低相噪恒溫晶振。

1 電路設計

圖1為石英晶體振蕩器電路結構框圖[3]。由于產品要達到2×10-8的溫頻特性及0.1 ps的抖動指標，對于電源的處理格外重要，電源處理系統采用低噪聲線性穩壓器 (LDO)，保證了電源的溫度穩定性，同時對外部電源的紋波進行處理，消除電源噪聲的影響。采用放大及整形電路，同時在輸出端進行阻抗匹配輸出，進一步減少后級對振蕩電路的影響，提高產品的穩定度。

圖1 石英晶體振蕩器結構原理圖

圖2為采用門振蕩電路的原理圖[4]。圖中,180表示相位翻轉180°。振蕩電路諧振器選用SC-切40 MHz三次泛音晶體。由于SC-切諧振器具有B、C兩種振動模式,C模是具有零溫度系數的振動,為所需的理想振動模式。在比C模頻率高約10%處有一寄生振動,稱B模振動。因此,B模的抑制是電路設計時需要重點考慮的問題，該抑制網絡直接影響到振蕩器高低溫工作的可靠性，電路中,L1、C1用來抑制40 MHz的基頻，L2、C2諧振在40～44 MHz處,抑制晶體B模振蕩,同時又保證了C模振蕩。電路中晶體工作于略高于串聯諧振頻率且呈現電感性的區間，此時晶體作為三點式振蕩電路中的一個電感元件。

圖2 晶體振蕩器電路原理圖

2 晶體諧振器設計

晶體諧振器是一種基于壓電效應實現的機械振動系統，其等效電路如圖3所示。圖中，C0為靜態電容，C1為動態電容，L1為動態電感，R1為動態電阻。晶體諧振器自身的品質因數Q值是衡量晶體諧振器性能的重要因素。

圖3 晶體諧振器等效電路圖

晶體諧振器的晶片切型包括AT-切、SC-切、BT-切等。其中較常用、生產較成熟的是AT-切和SC-切晶體諧振器。

SC-切諧振器的顯著特點是其頻率與溫度間有近似的三次函數關系，因而它具有零溫度系數點。與AT-切相比，在零溫度系數點附近，SC-切晶體諧振器的溫度系數小1個數量級，且翻轉點溫度高，頻率偏差小，高溫區溫頻系數小，即SC-切諧振器的溫度穩定特性較好，特別適宜作恒溫晶振。另外，由于SC-切諧振器具有應力補償和熱瞬變補償，因此，在其他性能上，與AT-切諧振器相比，SC-切諧振器較優。SC-切諧振器具有以下優點：

1) 開機特性好，適用于快速啟動。

2) 應力效應小，老化較小。

3) 幅頻效應小，能承受較強的激勵電平。

4) 短期穩定性較好。

5) 頻率溫度系數小，溫度穩定性較高。

另外，SC-切諧振器在抗輻射性能、抗加速度性能和抗高溫性能方面，特性比 AT-切諧振器優。目前高穩定晶體振蕩器中廣泛應用的也是SC-切石英晶體。

本文采用SC-切三次泛音冷壓焊封裝晶體[5]，與基頻模式相比，泛音模式具有較高的體積/表面積比值，這意味著表面質量對泛音模式影響較弱，同時泛音模式具有較高的Q值。但另一方面，泛音模式由于具有較大的電阻，增加了起振難度，且需要更大的晶片尺寸。

晶體諧振器的頻率受溫度影響的關系為

c0(T-T0)3

(1)

式中：f為頻率標稱值；Δfs/f為晶體的溫度系數，由晶體的切型和角度決定，選擇合適的切角，可得到具有零溫度系數的晶體。

圖4為SC-切三次泛音40 MHz晶體諧振器的溫頻曲線。圖中，Δf為晶振輸出頻率變化率。T為溫度產品要求工作溫度(-30～+70 ℃)。晶體諧振器的零溫度系數點需選取在(85±5)℃內。

圖4 40 MHz SC-切晶體諧振器溫頻曲線

3 控溫電路設計

晶體諧振器的頻率隨溫度而變化，溫度是影響晶體振蕩器穩定度最主要的因素，控制和處理溫度是提高晶振穩定度的主要手段[2]。為了達到本項目頻率溫度穩定性的要求，需要對振蕩器的控溫結構進行精確的分析和設計。在減小體積的情況下保證產品溫頻特性是控溫電路設計的關鍵。小體積、高穩定晶振產品一般采用諧振器內加熱方式或傳統電阻絲加熱方式。綜合考慮工藝實現難度及成本等因素，本設計采用了改進后的傳統加熱方式，使用有源負載取代電阻絲作為加熱源。在充分利用負載耗散功率的同時減小了產品的體積。控溫電路原理圖如圖5所示。

圖5 控溫電路原理圖

恒溫控制是指一個電伺服系統持續向恒溫槽加熱，通過改變加熱電流來補償環境溫度的變化。當外界溫度降低時，嵌在恒溫槽中的熱敏電阻RT會發生變化引起橋路不平衡，橋路輸出電壓經高增益差分放大器放大，驅動功率器件對恒溫槽進行加熱，以補償降低的溫度，同理，當外界溫度升高時，橋路輸出電壓減小，恒溫槽加熱電流也相應減小，最終達到熱平衡。

通過精心設計的恒溫槽可使晶振的穩定度達到10-8量級，但由于電路的開環增益不是無窮大等原因，造成恒溫槽內隨外界溫度變化存在溫度波動。單層恒溫的熱增益一般為300，因此必然存在溫度的波動[6]。恒溫槽變化對晶體溫頻特性的影響如圖6所示[7]。

圖6 恒溫槽對溫頻特性的影響

由圖6可知，恒溫槽隨外界溫度的變化而產生的變化量為ΔT0，在外界溫度不變的情況下，恒溫槽本身還存在溫度的漂移，通常的設計為調節恒溫設置點在上拐點附近，以期達到理想的效果，但由于ΔT0的存在，必然引起振蕩器輸出頻率的變化。在設計中，我們選擇控溫點在晶體諧振器頻率隨溫度變化最平坦處的上拐點。

如何評估恒溫槽的控溫精度一直是困擾恒溫晶振設計的難題。由于SC-切晶體諧振器的B模振蕩頻率與溫度近似于線性關系[7]，可讓產品振蕩在B模，并通過測試B模振蕩頻率，感知晶體內部晶片的“真正”溫度。利用晶體B模這一特性可對恒溫晶振的溫度控制系統進行精確的評估。理論上B模曲線近似為線性，斜率約為

(2)

該斜率表示，隨著外界溫度的升高，晶體的頻率逐漸降低，且溫度每變化1 ℃，頻率變化-25.5×10-6，即變化率為-25.5×10-6/℃。

本產品溫度控制選擇了比例積分反饋的連續式控溫電路，通過比例積分反饋回路對溫度進行精確控制，通過調試控溫電路的放大增益、積分常數等參數達到提高控溫電路的靈敏度、控溫精度及環境適應性的目的[8]。

調節控溫電路的積分、微分參數，使得放大增益較大的情況下仍能較快的保持穩定。將恒溫槽的溫度調至晶體的拐點溫度處，測試其B模曲線的斜率，測試曲線如圖7所示。

圖7 恒溫晶振的B模頻率溫度特性

由圖7可知，在控溫電路的作用下，當外界環境從-30 ℃升溫到+70 ℃時，晶振輸出頻率變化Δf約為12.2×10-6，由式(2)計算可知，該產品恒溫槽的控溫精度為

(3)

通過對產品控溫精度的評估，采用比例積分控溫技術后，在環境溫度變化100 ℃時，晶體諧振器的溫度僅降低0.47 ℃，可滿足產品溫頻特性對控溫精度的要求。

4 測試結果

經實際測試，設計中研制的40 MHz小體積恒溫晶體振蕩器測試指標如表1所示。圖8為樣品在 25 ℃～-30 ℃～+70 ℃的頻率波動圖。圖9為相位噪聲圖。圖10為產品實物照片。

表1 40 MHz晶體振蕩器測試指標結果

圖8 樣品25 ℃～-30 ℃～+70 ℃的頻率波動

圖9 相位噪聲實測結果

圖10 實物照片

5 結束語

針對指標要求，分析了SC-切晶體諧振器的特點，找出了溫度控制設計的關鍵點，介紹了恒溫槽控溫精度的評估方法。設計的產品綜合運用低噪聲LDO，SC-切晶體諧振器，B模抑制網絡等設計。在減小體積的同時提高了產品的相位噪聲。經實際測試，產品指標完全滿足用戶要求，具有體積小,穩定高及相位噪聲低的特點。產品用于通信及雷達等設備中，可提高整機系統指標，減小體積和降低功耗。具備很好的應用前景和較顯著的經濟效益。