高可靠高穩定恒溫晶體振蕩器設計

劉蘭坤，王占奎

（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

隨著我國宇航技術的發展，系統對高可靠高穩定恒溫晶體振蕩器的需求越來越緊迫，目前高穩定度高頻恒溫晶振主要依靠進口，因此設計一種高可靠高穩定恒溫晶振十分必要。

本文設計了一種輸出頻率100MHz、短期穩定度優于2*1012/s，相位噪聲優于-72dBc/Hz@1Hz，-105dBc/Hz@10Hz，-135dBc/Hz@100Hz的高可靠、高穩定度恒溫晶振，主要用于宇航應用系統。

1 方案設計

恒溫晶振是將石英晶體諧振器置于一個恒溫槽中，采用精密控溫系統對恒溫槽加熱，使位于恒溫槽內的石英晶體諧振器工作在其頻溫曲線拐點溫度下，以獲得高穩定度的晶體振蕩器。本文選用恒溫晶振方案實現，方案由穩壓電路、振蕩放大電路、控溫系統及晶體諧振器組成，原理框圖如圖1示。

圖1 恒溫晶體振蕩器原理框圖

2 高穩定度設計

衡量晶體振蕩器穩定度性能的最重要指標是短期穩定度，短期穩定度在時域和頻域內的表征分別是阿侖方差和相位噪聲。

2.1 振蕩器短期穩定度分析

短期穩定度是指由噪聲引起的振蕩頻率的變化。反饋振蕩器由放大器和反饋網絡組成，在放大器和反饋網絡中，噪聲通過對振蕩器輸出信號進行干擾或調制而影響振蕩器的短期穩定度。相位噪聲的數學研究方法主要有線性時不變方法[1]、Lesson噪聲模型[2]等。本文選用Lesson噪聲模型進行分析。

式中：SΔφ(f)為振蕩器輸出相位噪聲譜密度，SΔθ(f)f0為振蕩器環路內部相位譜密度，f為振蕩器輸出頻率，QL為偏離輸出頻率，為回路有載品質因數。

為方便分析，設振蕩器環路（放大器）中只存在閃變噪聲和白噪聲，則振蕩器環路輸出單邊帶相位噪聲譜密度為[3]：

式中：α為取決于1/f噪聲電平的常數，β=4kTF/Ps.k為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度，F為噪聲系數，Ps為振蕩器輸入的信號功率。

將式（2）代入式（1）得輸出信號的相位噪聲譜密度為：

將（3）式寫成如下冪級數形式：

根據時域與頻域的轉換關系可求得阿侖方差為：

式中：σy(τ)為阿侖方差，τ為采樣時間，fh測試帶寬。

將各噪聲有關的系數值代入式中，得出阿侖方差表達式為：

式（5）表征了各類噪聲對振蕩器的短期穩定度影響。經過分析可知，對振蕩器秒級短期穩定度影響最大的因素是閃頻噪聲。為降低振蕩器的閃變噪聲，設計中一方面要選取品質因數Q值較高的晶體諧振器，并選擇合適的振蕩電路形式，盡可能提高振蕩回路有載品質因數值，另一方面振蕩電路要選用低噪聲的晶體管，并合理設置穩定的工作點。

2.2 低噪聲振蕩電路設計

振蕩電路是實現振蕩器優異穩定度的關鍵，因此是晶振高穩定度的設計重點。本文采用有載品質因數值較好的巴特勒電路[4]，如圖2所示。在電路中晶體諧振器接在振蕩晶體管的發射極，工作在自身串聯諧振頻率上，呈純阻性，起到對諧振頻率進行高Q選頻作用，為電路提供反饋，屬于串聯反饋型振蕩電路。

圖2 巴特勒電路等效原理圖

為了提高秒級短期穩定度，本文對巴特勒電路進行改進，將振蕩信號從振蕩晶體管的集電極采用部分接入方式引出，降低負載對振蕩電路品質因數Q的影響。

振蕩電路中振蕩晶體管選用噪聲系數低、放大倍數高、截止頻率高的高頻低噪聲晶體三極管。本文選用的三極管噪聲系數優于2.5dB，截止頻率大于700MHz。

振蕩電路中的晶體諧振器選用高品質因數Q值的SC切5次泛音100MHz晶體，選用合理的等效電阻和拐點溫度，保證滿足高穩定度。

2.3 低噪聲放大電路設計

本文設計中振蕩信號從振蕩晶體管集電極引出，選用低輸入阻抗的共基低噪聲放大器。放大電路晶體管選用與振蕩級同型號的低噪聲三極管，采取適當的負反饋，降低電路1/f 噪聲。輸出端采用電容分壓帶負載方式實現阻抗匹配，并加入低通濾波電路，有效隔離振蕩電路與輸出端，減小負載對振蕩狀態的影響，進而提高信輸出信號穩定性。

3 高可靠性設計

面向宇航應用需求，本文在電路設計、元器件選用、結構設計等方面遵循宇航標準，滿足宇航環境適應性要求。

3.1 混合集成結構設計

為了提高產品固有可靠性，將電路設計方案中的穩壓電路、振蕩放大電路和控溫加熱電路按照電路功能，將有源器件通過混合集成工藝制成高可靠混合集成模塊電路。在混合集成電路模塊外圍連接必要的無源元件最終構成高可靠晶振成品，晶振總體結構形式簡單，可靠性大大提高。

為了提高產品使用可靠性，晶振外殼采用重量輕、剛度高的鋁合金盒體結構。電路板安裝通過引腳焊接方式固定于盒體內部，并通過內部加固方式提高晶振固有機械模態頻率[5]。在晶振管殼上設計有四個安裝孔，可以通過螺釘安裝緊固到結構中，再將晶振的引腳焊接引出，充分保證了產品的可靠性。

3.2 器件選用

本文所有器件均選用宇航級器件，器件均滿足降額的要求。

晶振的核心器件晶體諧振器，本文選用了抗振動、抗沖擊性能較好的多點支撐的TO-5封裝SC切冷壓焊晶體。TO-5的冷壓焊晶體為四點支撐結構，從力學方面分析可知TO-5封裝晶體支撐強度大大提高，其抗沖擊能力較兩點支撐結構大大提高；另外TO-5封裝SC切型的晶體具有應力補償效應，抗加速度性能好。

4 實物制作及測試結果

本文最終研制設計的恒溫晶體振蕩器體積為38mm×38mm×16mm，如圖3所示。

圖3 實物照片

對設計研制的100MHz高可靠高穩定恒溫晶體振蕩器的度短期穩定度進行了測試，實際測試相位噪聲為-72dBc/Hz@1Hz，-105dBc/Hz@10Hz，-135dBc/Hz@100Hz，-161dBc/Hz@1kHz，見圖4。測試阿侖方差為在100ms和1s均達到2×1012。具有很好的頻率穩定性。

圖4 相位噪聲實測曲線

5 結論

本文從高穩定度電路設計及高可靠性設計兩方面開展了100MHz高可靠高穩定度恒溫晶體振蕩器的分析和研究，研制的產品可靠性滿足宇航應用預期，性能指標與國外同類產品達到同一水平，對我國高可靠恒溫晶振技術發展具有重要意義。