高穩(wěn)定度晶體振蕩器頻率溫度特性改善的研究

張濤杰

摘要：此次研究主要結(jié)合恒溫晶振技術(shù)，分析高穩(wěn)定度晶體振蕩器改善頻率溫度特性的相關(guān)問題。

關(guān)鍵詞：高穩(wěn)定度；晶體振蕩器；頻率溫度特性；改善方案

近些年，通信行業(yè)和軍工方面的發(fā)展和需求逐漸遞增，促使精密晶體和原子頻標(biāo)的需求也是與日俱增。正是這種實際的需要，讓晶體振蕩器受到廣泛關(guān)注。石英晶體振蕩器就是現(xiàn)階段精準(zhǔn)度和穩(wěn)定度最高的振蕩器，因此相較于其他的振蕩器來說，這種振蕩器的發(fā)展具有很大的市場影響力[1]。但是受到晶體振蕩器本身的質(zhì)地的影響，使其在出廠和校準(zhǔn)之后，伴隨著時間的推移，加之外界環(huán)境的影響，嚴(yán)重影響了晶體振蕩器的頻率值，從而導(dǎo)致頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的誤差逐漸增大。晶體振蕩器作為一種通信設(shè)備，其具體的頻率穩(wěn)定度往往決定了設(shè)備的頻率變化情況，如果通信系統(tǒng)的頻率不穩(wěn)定，將會嚴(yán)重影響到通信的質(zhì)量，導(dǎo)致測量儀器的頻率不穩(wěn)定，還會出現(xiàn)較大的誤差。尤其是在近些年，空間技術(shù)的迅速發(fā)展，使得振蕩器頻率的穩(wěn)定度要求越來越高，由此看出研究高穩(wěn)定度晶體振蕩器頻率溫度特性至關(guān)重要[2]。

一、晶體振蕩器的重要價值

晶體振蕩器的應(yīng)用價值明顯，因此需要準(zhǔn)確分析各種晶體振蕩器對頻率溫度特性改善的具體過程，明確高穩(wěn)定度晶體振蕩器的應(yīng)用意義。在電子線路中，振蕩器并不依靠著外界信號的激勵作用，而是自身把直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔艿囊环N裝置，同時也不會受到激勵信號的影響，從而產(chǎn)生周期性震蕩信號的電子線路。晶體振蕩器經(jīng)歷了從無線電發(fā)明初期然后運用火花發(fā)射機(jī)和電弧發(fā)生器等一系列的設(shè)備，再經(jīng)過電子管和晶體管等器件，經(jīng)過LCR等元件共同組合而成的振蕩器[3]。現(xiàn)階段，各種各樣的振蕩器在電子技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛，例如廣播、電視和通信設(shè)備等，同時也在國防軍工和航天航空等高科技領(lǐng)域受到重視。

二、振蕩電路的設(shè)計

（一）晶體諧振器的選取過程

由于AT切型晶體諧振器體現(xiàn)出良好的頻率溫度特性，同時也能在寬溫環(huán)境之下，將溫度的頻差縮小，并且保證兩個零溫度系數(shù)點可以落在大氣環(huán)境溫度的范圍之內(nèi)。所謂高穩(wěn)定度晶體振蕩器主要是選用了30MHz的小公差A(yù)T切型基頻石英晶體，相應(yīng)的溫度頻差保持在正負(fù)20ppm以內(nèi)[4]。（此處表述的是AT切型基頻石英晶體，其溫度頻差始終保持在±20ppm以內(nèi)）

（二）振蕩電路的概述

分析振蕩電路原理框圖（如圖1），可以發(fā)現(xiàn)主振級電路和自動增益控制電路等共同組合而成。具體的功能就是在晶體諧振器的具體參與下，適當(dāng)?shù)膶⒅绷麟娹D(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡瑥亩屵@種交流電始終保持著一定的幅度和穩(wěn)定性。根據(jù)實際的改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，可以利用集成CMOS反相器振蕩電路作為主振級電路，由此選頻放大電路，然后通過抑制其他雜波信號的方式，選擇了放大晶體的工作頻率，為了確保電路始終保持穩(wěn)定狀態(tài)，輸出的信號更加純凈，還應(yīng)該適當(dāng)?shù)脑黾迂?fù)載隔離，保證更好的貼近實際需求。

（三）主振級電路

環(huán)境溫度的變化可以對晶體振蕩器的頻率值帶來影響，國內(nèi)外針對此方面的研究層出不窮，重點提出了溫補(bǔ)晶振和恒溫晶振兩種方式。溫度補(bǔ)償晶體振蕩器的整個設(shè)計系統(tǒng)能否更好的維持穩(wěn)定的狀態(tài)，并且始終以穩(wěn)定的狀態(tài)運行，最為關(guān)鍵的就是取決于主振級電路設(shè)計性能的好壞，只有主振電路性能始終保持完好，才能合理的補(bǔ)償諧振器頻率溫度特性，從而讓其他各部分性能發(fā)揮出實際的價值。

三、恒溫晶體振蕩器

（一）恒溫晶體振蕩器的設(shè)計問題

1）精密恒溫槽的設(shè)計。

恒溫晶體振蕩器在所有晶體中頻率溫度的穩(wěn)定性較高。所以需要使用結(jié)構(gòu)完善且控溫性能良好的精密恒溫槽確保石英諧振器和相關(guān)電器元件更適于恒溫槽中，尤其是保證石英諧振器的溫度穩(wěn)定在相應(yīng)的拐點處，從而發(fā)揮出拐點周邊石英諧振器的頻率溫度系數(shù)小的相關(guān)特性[1]。在設(shè)計精密恒溫槽的時候，需要先設(shè)計單層恒溫槽控制晶振，然后適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)相應(yīng)的方案，利用雙層恒溫槽控制好晶振，保證溫度對頻率的影響逐漸降到最低，恒溫槽內(nèi)的溫度應(yīng)該控制于0.001攝氏度的范圍之內(nèi)，體現(xiàn)出較高的控制精度，從而提升了頻率的穩(wěn)定度。

2）控溫電路的設(shè)計。

恒溫晶體振蕩器的關(guān)鍵設(shè)計就是利用溫度合理控制電路，優(yōu)良的溫度控制電路，需要保證高精度的控溫過程，同時還應(yīng)該注重控溫的穩(wěn)定性[2]，具備較強(qiáng)的抗干擾能力，由此體現(xiàn)出高精度、抗老化和一致性優(yōu)良的特點，保證在使用的過程中更加方便，便于調(diào)試電路并控制好精度。

3）振蕩電路的設(shè)計。

在設(shè)計恒溫晶體振蕩器的過程中，除了必要的恒溫槽和控溫電路的設(shè)計，還應(yīng)該重視晶體振蕩器本身振蕩電路存在的穩(wěn)定性和抑制噪聲的能力[3]，這將直接影響到高穩(wěn)定度晶振設(shè)計的過程。

（二）恒溫晶體振蕩器的設(shè)計理念

依照以往的經(jīng)驗，在電路設(shè)計的過程中，應(yīng)該重視結(jié)構(gòu)合理、布局周全，注意晶體振蕩器的外形尺寸符合精致的標(biāo)準(zhǔn)。綜合分析晶體的美觀和外形尺寸的有限，應(yīng)該適當(dāng)?shù)膶⒖販仉娐泛驼袷庪娐愤m時的布于PCB版的頂層和底層，這樣可以有效的節(jié)省空間，保證感溫元件充分發(fā)揮出實用價值，確保其緊貼晶體諧振器，放置于功率管和晶體之間。通過常溫下的開機(jī)過程，可以及時測試出晶振的各項性能指標(biāo)，通過相應(yīng)的實驗結(jié)果證明，恒溫晶振輸出頻率溫度穩(wěn)定度始終保持在0.2bbp以內(nèi)。（此處表述的是恒溫晶振輸出頻率溫度穩(wěn)定度需保持在0.2bbp以內(nèi)）

四、結(jié)語

此次研究重點分析了晶體振蕩器頻率溫度特性改善的相關(guān)問題，通過結(jié)合相關(guān)的材料分析，明確了頻率溫度特性改善不同方法的優(yōu)勢和特性，經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆治龊涂偨Y(jié)，從恒溫晶體振蕩器的角度上，了解了高穩(wěn)定度晶體振蕩器對改善頻率溫度特性的幫助。

參考文獻(xiàn)：

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