高頻高穩恒溫晶體振蕩器設計

彭慧麗 陳金和 韓艷菊 于德江 喬志峰 鄭鴻耀

(北京無線電計量測試研究所，北京 100039)

1 引 言

恒溫晶體振蕩器作為系統的基準頻率源，廣泛應用于導航、制導和空間探測等領域中。隨著系統探測精度的不斷提高，對恒溫晶體振蕩器的短期頻率穩定度和老化率提出更高要求；而由于高速電路和系統小型化要求，對高頻高穩恒溫晶體振蕩器產生了較大的需求[1-5]。

對于輸出頻率達到100MHz的高頻晶體振蕩器，通過石英諧振器直接振蕩，頻率穩定度可達到2E-12/s[5,6]，而要實現E-13量級則較為困難，還不能滿足一些領域的應用需求。本文采用10MHz低頻振蕩并進行倍頻的方式，結合精密控溫設計，研制了100MHz高頻高穩恒溫晶體振蕩器，測試結果表明，該晶振具有優異的短期頻率穩定度和老化率。

2 高頻高穩晶體振蕩器設計

2.1 總體技術方案

理想情況下，倍頻不會影響到晶體振蕩器的短期頻率穩定度[7]，因此，對于追求優異短期頻率穩定度的情況，高頻高穩恒溫晶振多采用高穩晶振結合鎖相倍頻，或低頻振蕩直接倍頻的方案。其中，采用鎖相方案的晶振噪底較好[8,9]，但鎖相環路較為復雜，且易受到環路器件性能的限制和其他附加噪聲的影響；直接倍頻方式雖然會抬高噪底，但是具有良好的近端相位噪聲，且電路形式簡單，適用于對秒級和百秒級短期頻率穩定度要求較高的場合。

為實現100MHz晶體振蕩器優異的短期頻率穩定度和老化率，本文設計的電路框圖如圖1所示，主要包括低頻振蕩電路、放大電路、低噪聲倍頻電路、濾波電路和控溫電路等組成部分。

圖1 電路設計框圖Fig.1 Block diagram of designed circuit

振蕩電路部分采用10MHz高Q值石英諧振器形成穩定的振蕩，信號經放大后，通過低噪聲倍頻、放大、濾波，得到純凈的100MHz高頻高穩振蕩信號。同時，為減小環境溫度變化對晶體振蕩器頻率的影響，設計了精密控溫電路和恒溫結構，將石英諧振器及溫度敏感器件安裝在恒溫槽或控溫區域內，保持其溫度的恒定，提高其頻率溫度穩定度。

設計方案中，10MHz振蕩信號的短期頻率穩定度是關鍵，我們對其進行了深入分析。

工程上常采用Leeson模型來對振蕩器的相位噪聲進行分析。Leeson模型采用近似線性分析法，得到式(1)[10-11]為

(1)

式中：α——與1/f噪聲電平相關的常數；f——相對于載波頻率ν0的頻偏；β——與白噪聲相關的系數；ν0——載波頻率；Q——諧振器有載品質因數；F——放大器的噪聲系數。

其中，

β=2kTF/Ps

式中：k——玻爾茲曼常數；T——絕對溫度；Ps——閉環振蕩器模型中的放大器的輸入功率。

相對頻率偏移為

Sy(f)=h-2f-2+h-1f-1+h0f0+h1f1+h2f2

(2)

式中：h-2，h-1，h0，h1，h2——與頻率隨機游走噪聲、閃頻噪聲、白頻噪聲、閃相噪聲和白相噪聲相關的系數。

根據振蕩器時域頻率穩定度和頻域頻率穩定度的相互關系

(3)

將Leeson模型中的5種噪聲譜密度代入，可得振蕩器的阿倫方差，如圖2所示[12]。

圖2 振蕩器阿倫方差曲線圖Fig.2 Allan variance of oscillator

由圖2可知，要提高晶體振蕩器短期頻率穩定度，可針對相應頻率噪聲采取適當措施。為降低振蕩器的閃頻噪聲，實現優異的秒級和百秒級穩定度，設計中需要選取具有高Q值的石英諧振器并盡量提高振蕩回路的有載Q值，采用低噪聲晶體管并合理設置其工作點，盡量減小電源噪聲和溫度波動帶來的影響。

2.2 高穩定振蕩電路設計

振蕩電路是產生振蕩頻率的核心電路，是實現優異短期頻率穩定度和低老化率的關鍵。設計采用Colpitts電路[11]，如圖3、圖4所示。該電路中，信號從集電極輸出，可明顯減小后級對振蕩回路的影響，改善晶體振蕩器的頻率負載允差，提高頻率穩定度。所用石英諧振器為10MHz SC切三次泛音真空冷壓焊封晶體，Q值可達1.2×106，在電路中工作在并聯諧振狀態，與變容二極管串聯，可以方便地調節輸出頻率。

圖3 Colpitts電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of Colpitts circuit

圖4 Colpitts電路交流等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit diagram of Colpitts AC circuit

圖3中，虛線框中的電路為B模抑制電路，在振蕩頻率處可等效為電容C2，一方面起到抑制石英諧振器基頻和高次泛音的作用，同時還與電容C1和石英諧振器共同參與振蕩。設計中，為了改善振蕩電路的噪聲特性，使用低噪聲系數的晶體管，并合理設置晶體管的偏置元件值，以調整放大器的直流、交流工作狀態，使放大級工作在較優的噪聲匹配狀態，引入交流負反饋電阻，進一步降低噪聲系數，提高頻率穩定度。同時，調整石英諧振器的激勵功率，使其小于100μW，在保證晶體振蕩器順利起振的前提下，兼具良好的短期頻率穩定度和老化率。

2.3 低噪聲倍頻電路設計

為滿足輸出頻率100MHz的要求，必須對振蕩電路產生的10MHz低頻信號進行倍頻，并通過濾波改善輸出信號的諧波抑制。圖5中，Vicosωit為輸入信號，經過倍頻后，變換為Vocosnωit，n為倍頻次數，由輸入輸出信號的頻率確定。

圖5 倍頻原理框圖Fig.5 Block diagram of frequency multiplication principle

理想情況下，n次倍頻后，信號相位噪聲惡化20lgn。而實際上，倍頻電路還會引入包括閃爍噪聲、調幅-調相(AM-PM)變換引起的噪聲、過度激勵時引起的噪聲、熱噪聲等在內的附加噪聲，使得倍頻后信號的相位噪聲在理論值的基礎上再惡化(1～3)dB。因此，需要選擇合理的倍頻電路，并恰當設置電路工作狀態，以降低倍頻器引入的噪聲。

設計采用圖6所示的晶體三極管非線性電阻倍頻方式。該電路性能穩定、噪聲低，可工作頻率范圍寬。但是振蕩信號經高階倍頻后，一般功率較低，為了得到要求輸出功率，還需對信號進行放大和濾波。放大電路不可避免地將引入噪聲，為了減小放大電路引入的噪聲，適當調整其工作點，減小閃爍噪聲和白噪聲。

圖6 晶體管倍頻電路Fig.6 Frequency multiplication circuit with transistor

2.4 精密控溫設計及熱仿真分析

精密控溫設計的目的是當外部環境溫度變化時，晶體振蕩器的輸出頻率等特性保持穩定。這不僅有利于改善晶體振蕩器的頻率溫度穩定性，對實現優異的短期頻率穩定度，也具有非常重要的作用。

在恒溫結構設計中，將石英諧振器和振蕩電路置于恒溫槽內，由功率管進行加熱，并適當選擇熱敏電阻位置，使其可以較為準確地反映石英諧振器的溫度。恒溫槽采用鋁材料，具有大的比熱容和熱導率，不僅有利于減小槽內熱梯度，使熱分布更為均勻；也有效提高恒溫結構熱容量，減小溫度波動。

控溫電路采用兩級比例積分(PI)控制電路，可實現無差控溫，從而提高控溫精度，其原理框圖如圖7所示，包含熱敏電阻橋式測溫電路、第一級PI放大電路、高增益運算放大器N1、功率管N2和電阻R1～R5。采用兩級控制電路，可降低電源電壓波動的影響，結合振蕩電路部分電源穩壓設計，進一步提高晶體振蕩器的頻率電壓穩定性。該電路最大加熱電流IMAX如式(1)。

圖7 兩級比例積分(PI)控制電路圖Fig.7 Two stage PI control circuit

(4)

式中：VCC——電源電壓；VZ——穩壓管輸出電壓。

由式(4)可知，晶體振蕩器最大加熱電流IMAX僅與電阻R1～R5的阻值和穩壓管穩定電壓Vz有關，而與功率管電流放大倍數無關，因此，可以通過調節電阻值的大小來調節最大加熱電流，避免電流過沖和因晶體管參數離散而帶來的最大電流離散性，保持狀態穩定。控溫電路中反饋系數的確定需要綜合考慮恒溫槽熱學結構、熱敏電阻的熱學特性及其與功率管的相對位置等因素，在保證電路性能穩定的基礎上，提高對外界溫度變化的靈敏度。

在恒溫結構設計和電路設計完成后，對高頻高穩恒溫晶體振蕩器進行了熱學仿真。環境溫度為+25℃時仿真結果如圖8所示。

圖8 晶體振蕩器剖面熱分布仿真結果示意圖Fig.8 The simulated result of the OCXO’s section heat distribution

由圖8可知，恒溫槽所在的控溫區域內熱梯度較小，熱分布均勻，可以很好地滿足設計需要。

3 產品制作及測試

采用上述電路方案實際制作了100MHz高頻高穩恒溫晶振，體積為50mm×50mm×30mm，實物圖如圖9所示。

圖9 晶體振蕩器實物圖Fig.9 Photo of crystal oscillator

晶振輸出功率為11.3dBm，諧波優于-50dBc，穩定功耗小于2W(@25℃)。采用8607超穩晶體振蕩器作為參考源，用5125A測試系統測試了晶體振蕩器的短期頻率穩定度，測試數據見表1，測試結果如圖10所示。短期頻率穩定度(阿倫方差)為2.68E-13/1s，2.54E-12/100s。用經GPS馴服的BM2101-02高性能原子鐘作為參考，測量得到晶體振蕩器的老化率為+7E-11/d，老化曲線如圖11所示。在溫度范圍-40℃～+70℃內測得晶振的頻率溫度穩定度為±6.9E-9，測試結果如圖12所示。將恒溫晶振進行正弦振動、隨機振動、沖擊和溫度沖擊等多項環境試驗考核。結果表明，晶振試驗前后頻率變化均小于±5E-9，性能穩定，可靠性高。

表1 短期頻率穩定度(阿倫方差)測試結果Tab.1 Test results of short term stability (Allan Deviation)采樣時間(s)阿倫方差σy(τ)噪底0.0017.190 2E-118.007 96E-120.0024.137 6E-119.375 31E-120.0042.513 9E-111.269 43E-110.011.583 6E-111.621 86E-120.023.033 9E-121.123 35E-120.041.534 9E-121.413 75E-120.16.794E-136.264 21E-140.24.018E-133.646 92E-140.43.058E-132.735 44E-1412.686E-132.765 25E-1422.999E-132.952 70E-1443.958E-131.070 21E-14107.11E-138.655 60E-15201.097E-121.018 79E-14401.49E-121.042 19E-141002.54E-121.158 05E-142004.42E-121.321 10E-144007.9E-121.063 66E-1410001.78E-111.558 08E-14

圖10 阿倫方差測試曲線圖Fig.10 The curve of the Allan variance test results

圖11 老化測試曲線圖Fig.11 The curve of the aging test results

圖12 頻率溫度穩定度測試曲線圖Fig.12 The curve of frequency vs.temperature test results

4 結束語

針對高頻高穩恒溫晶體振蕩器的需求，在對短期頻率穩定度分析的基礎上，設計了低頻高穩振蕩電路，并結合精密控溫設計，得到高穩定10MHz信號。并在此基礎上進行低噪聲直接倍頻，得到100MHz高頻高穩恒溫晶振。短期頻率穩定度達到2.68E-13/s,2.54E-12/100s，老化率優于7E-11/d，并經環境試驗考核，性能穩定、可靠性高，有利于簡化系統構成、降低系統復雜度，具有廣闊的應用前景。