10MHz低相位噪聲晶振的設計與實現

李冬強 胡寶浩 高志祥 王妍

（南京中電熊貓晶體科技有限公司，江蘇南京 210038）

0.引言

科學技術的快速進步使得軍事、雷達與通信等領域迅速發展，恒溫晶振作為各個電子設備的關鍵元器件，整機的性能指標在一定程度上被它決定。晶振有一個非常關鍵的指標，那就是相位噪聲指標，它是影響信號源的關鍵因素之一。因此設計研發低相位噪聲恒溫晶振有著廣闊的前景。

1.理論分析及設計方法

1.1 晶振中的噪聲

由于電噪聲的存在使晶振產生了隨機性抖動，所以電路內部電噪聲的幅度決定了晶振頻率的短期穩定。依據不同的形式噪聲形成原理，電噪聲大致可以分為熱噪聲、閃變噪聲、散彈噪聲以及爆裂噪聲[1]。散彈噪聲與熱噪聲均屬于白噪聲，它們的功率譜密度和頻率無關。熱噪聲由于電子之間熱運動所產生的，而散彈噪聲主要是由元件中電子的隨機發射與載流子分離、復合所產生的，這兩種噪聲決定電感等了相位噪聲的基底。閃變噪聲與頻率成?-1的關系，爆裂噪聲則與頻率成?-2的關系。

1.2 諧振器的Q值對晶振相位噪聲影響

Haj和同事門提出了線性時變的噪聲模型[2]，利用提出的脈沖敏感函數分析電路中的噪聲源。周期性平穩噪聲源來自振蕩器中器件電路的周期特性，它存在于大部分的振蕩器中，而時變特性能很好的處理它。因為任何振蕩器都是一個周期變化的時變系統，該模型能精確考慮振蕩電路的時變特性。該模型雖然不夠準確，但足以提供直觀的相位噪聲優化方向。圖1給出了晶體振蕩電路的噪聲小信號分析模型，振蕩電路的噪聲源可以分為兩大類，一類是來自于晶體諧振器的噪聲電壓，表示為4TKRS，一類來自電路負阻產生的噪聲電壓，表示為4KTγRSγ是有源器件的額外噪聲系數。在穩定振蕩時，電路阻抗的實部負阻同晶體的串聯電阻RS相抵消，于是諧振回路的阻抗可以表示為：

圖1 晶體振蕩電路的噪聲小信號分析模型

其中，C是Cs和Cp的串聯等效:

計算阻抗在諧振頻率附近時的表達式，將ω=ω0+Δω代入式，考慮到諧振頻率:

其中，Q是晶體的品質因素。環路的噪聲電流為

噪聲影響分為幅度噪聲和相位噪聲，兩者的貢獻是相等的。于是得到相位噪聲的功率譜密度：

上式指出了相位噪聲和有源器件噪聲系數，諧振回路Q值以及晶體功耗Pm之間的關系。功耗越大，Q值越高，相位噪聲越好。所以本文選用自身Q值高的諧振器，是低相位噪聲晶振設計的關鍵。

1.3 放大器的噪聲

振蕩器中的電阻、電容、電感等和三級管這些元器件都存在噪聲，其中三極管噪聲的影響是最最大的。任何實際的放大器都可以用一個無噪聲的放大器和接在其輸入端的等效噪聲發生器來表示。使用和測量都很方便的等效噪聲發生器是一個與放大器輸入端并聯的噪聲電流發生器In和一個與輸入端串聯的噪聲電壓發生器En，如圖2所示[3]，圖中Vs為信號源電壓有效值，Rs的熱噪聲電壓均方根值，Zi為放大器輸入阻抗，Eno為放大器輸出噪聲的均方根，Vso為輸出信號的有效值。

圖2 放大器的En-In噪聲模型

本文采用超級低噪聲的7sXX04門電路芯片作為放大器，對于3dBM的10MHz輸入信號，它的增益大約為8db，噪聲惡化指數非常的低，多次驗證其噪聲惡化不到0.2db。

放大電路的原理如圖3所示。10MHz信號經電容耦合到7sXX04門電路芯片，用一個高阻值的電阻將該門的輸出反饋到輸入端。由于輸出與輸入端電位相反，引入該電阻就構成了負反饋電路。此設計思路一方面使放大電路增益更穩定，減少非線性失真，抑制環內噪聲，提高信噪比；另一方面起著上下拉電阻的作用，增強輸入輸出能力。

圖3 放大器電路圖

1.4 電源電路

電源PIN腳上的噪聲或紋波將使任何振蕩器的相位噪聲性能產生惡化。電源電壓的變化將改變射頻電壓限幅條件、諧波成分、電抗負載和輸出頻率。因此恒溫晶振內部必須具有一款低相位噪聲、低紋波的LDO。

本文設計電源電路使用了LT3045穩壓器，如圖4所示，LT3045是一種高PSRR低壓差的LDO，具有LTC特色的超低噪聲和超高電源抑制結構，為噪聲敏感應用供電。LT3045輸出電源范圍寬（0V～15V），同時提供幾乎恒定的輸出噪聲、電源抑制比、帶寬和負載調節具有獨立的編程輸出電壓。

圖4 電源電路設計圖

2.其他部分電路的設計

2.1 選頻網絡

選頻網絡電路圖如圖5所示，調節其中電容值與電感值，使選頻網絡的諧振頻率為10M的70%～80%，保證10M在被選的范圍內。

圖5 選頻網絡電路圖

2.2 調頻電路

圖6所示電路為本文設計晶振的調頻電路，通過調整電路中電感值與電容值，便可以調節晶振的輸出頻率，使晶振初始精度滿足要求。

圖6 調頻電路

2.3 恒溫槽電路

恒溫槽電路主要是自主設定槽內溫度，使用負溫度系數的熱敏電阻配合Rail to Rail的運放形成平衡橋，使得溫度恒定在設定點。一般將恒溫槽的溫度設定在晶體的FL處，因為在FL處晶體的頻率溫度曲線最為平緩，即使有微小的溫度擾動對晶振的頻率穩定性響也不大。由于在低溫時的拐點受外界環境的影響比較大，溫度控制電路不容易設計，因此選擇高溫拐點處的溫度進行控制。

直放式控溫電路是本文所采用的控溫電路，它具有簡單的結構，方便的調試方法等優點，當然也存在零漂，影響槽溫的穩定這些缺點[4-5]。

如圖7所示，本文的控溫電路使用3個電阻與一個熱敏電阻組成一個電橋電路，利用該電路可控制恒溫槽內部的溫度，電路中使用了一個運算放大器，它的正極與負極與電橋電路的兩端相連接，它的輸出端與加熱功率管連接，當它的正極電壓與負極電壓不相等時，便會輸出一定的電壓值，此時三極管工作在線性放大區，實現了加熱功率管作用。

圖7 恒溫槽電路

剛通電時，電橋電路未達到平衡狀態，運算放大器的輸出端輸出的電壓V4比較大，導致有較大的電流流過三極管，此時恒溫槽開始加熱，恒溫槽的溫度開始漸漸升高，漸漸升高的溫度導致熱敏電阻的阻值開始減小，V4開始漸漸變小，流過三極管的電流開始變小，當槽溫達到拐點溫度時，電路達到平衡。但晶振電路中所有器件的=具有散熱性能并且三極管具有加熱慣性，這會導致恒溫槽的溫度會一直波動，最終晶振電路槽溫會處于動態平衡狀態。

2.4 激勵電路

與諧振器電路串聯電阻，調節電阻阻值便可以調節電路中的激勵電流，從而調整晶振的相位噪聲，本文設計將電阻值調大，擁有小激勵電流，使近端相位噪聲變好。

2.5 濾波電路

本文設計在輸出端加了一個帶通濾波電路，使振蕩電路與輸出端有效隔離，減小負載變化對主振狀態的影響，同時提高輸出信號的頻譜純度，還可以改變輸出波形。

3.測試結果

通過測試，得知產品在偏離載頻1Hz、10Hz、100Hz、1kHz與10kHz的相位噪聲分別為115dBc/Hz、140dBc/Hz、155dBc/Hz、165dBc/Hz和170dBc/Hz，從測試數據可以得出，本次10M低相位噪聲晶振設計的思路是合理的，具有先進的技術，本次設計指標達到了較高水平。