10MHz小型高穩(wěn)恒溫晶振的研究

祁進

摘要：恒溫晶振是一種具有優(yōu)良性優(yōu)勢的頻率發(fā)生設備，被廣泛運用于現(xiàn)代的許多領域中。在我國的經(jīng)常運用的恒溫晶振短期的穩(wěn)定度一般控制在10-12/1s量級，在國外的運用中恒溫晶振高指標已經(jīng)達到1×10-12/1s，在目前的運用中還沒有達到這種高指標的恒溫晶振，以此對10MHz小型高穩(wěn)恒溫晶振的研究，需要對此進行10MHz恒溫晶振工作原理的分析，并且針對分析的結(jié)果提出進行短期穩(wěn)定度的改善方法，促使高穩(wěn)晶振研制實現(xiàn)小型化的設計。

關鍵詞：恒溫晶振；短期穩(wěn)定度；小型高穩(wěn)恒溫晶振研究

恒溫晶振作為一種優(yōu)良性的頻率發(fā)生設備被廣泛運用于我國航天、通信、電子等領域中，運用高穩(wěn)恒溫晶振研制的短期穩(wěn)定度促進設備系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定的狀態(tài)，在一定情況下還能夠促進系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的提高，在此基礎之上還能夠促使相關設備系統(tǒng)在使用的過程中性能得到大幅度的提升。如：雷達的使用系統(tǒng)中，能夠提高系統(tǒng)的分辨率；在測距系統(tǒng)中運用可以促使最終測距數(shù)據(jù)的精準度以及在通信設備中使用還能夠降低誤碼率的發(fā)生。通過對此的研究，促使實現(xiàn)小型化的高穩(wěn)晶振研制。

一、短期穩(wěn)定度的數(shù)學表達

在小型高穩(wěn)恒溫晶振中，對其設備頻率輸出信號通過數(shù)學表達式進行展示為：

其中相位起伏φ（t）是在本文中進行分析的重要主體，對此進行晶振穩(wěn)定度的衡量，就需要運用常用的相對頻率穩(wěn)定度進行表示，公式如下：

這項公式最主要的體現(xiàn)晶振穩(wěn)定度的時域表現(xiàn)特征，在時域中經(jīng)常運用阿倫方差對晶振的頻率穩(wěn)定度進行表示：

在這項阿倫方差公式中τ表示進行取樣的時間，相對頻率的公式表現(xiàn)為y=Δff，對此進行測量是在間隔的τ時間內(nèi)進行，（yk+1-yk）是指相鄰的兩次相對頻率的差值，其中m為進行測量的組數(shù)。

二、低噪聲恒溫晶體振蕩器設計

（一）低噪聲主振電路設計

1）在進行低噪聲主振電路進行設計首先我們需要對恒溫晶振的組成部分進行充分的了解的基礎上進行。恒溫晶振的組成部分包括：主振電路、放大電路、溫度控制電路和電源電路等組成。對低噪聲進行設計的重點體現(xiàn)在對模塊電路之間實現(xiàn)合理的配置。經(jīng)過大量的研究對恒溫晶振的噪音來源進行進行原因分析，得出恒溫晶振的噪音主要發(fā)生在主振電路。在我們的運用中，常見的主振電路包括：克拉普電路形式和皮爾斯電路形式這兩種。其中皮爾斯電路形式所體現(xiàn)的效果比克拉普電路形式的效果好，也是現(xiàn)代恒溫晶振中運用較廣泛和成熟的電路形式。皮爾斯電路等效圖如下：

2）在進行主振電路的設計時，進行降低噪音的方法進行闡釋，其一是在主振電路中應該提高晶體的有載品質(zhì)因數(shù)指標值，充分發(fā)揮晶體的高品質(zhì)特點。其二是對主振晶體管的位置進行優(yōu)化配置，將主振電路工作避免出現(xiàn)在高噪聲的區(qū)域，盡量將主振電路控制在低噪聲的區(qū)域，將噪聲系數(shù)控制在最佳的范圍。

（二）元器件的選用

在對恒溫晶振的設計中，對進行設計的元器件的使用也非常的重要，這些主要元器件是晶體管和晶體諧振器這兩者的選用最為關鍵。

1）在目前的恒溫晶振元器件中晶體諧振器的使用，晶體諧振器又分為AT切和SC兩種形式。在這兩種不同的形式中我們通常使用的是SC切的形式進行，主要是因為SC切這種形式自身具有的有載品質(zhì)因數(shù)指標值，優(yōu)勢特點體現(xiàn)在發(fā)生的頻率過沖，效應較小，同時還具有老化率比較低的特點，是其他元器件形式優(yōu)勢所無法進行比擬的，因此被廣泛運用于恒溫晶振的晶體類型中。

2）晶體管是是電路中最為重要的有源器件，在對此進行選擇上盡量選擇電阻較小的晶體管，除此之外還需要在集電結(jié)電容較小，截止頻率較高以及噪聲系數(shù)較低的晶體管選擇，如：現(xiàn)代運用廣泛的3DG晶體管的采用。

（三）高精度控溫系統(tǒng)設計

對控溫系統(tǒng)進行設計我們需要對它的組成部分進行了解，控溫系統(tǒng)主要是由控溫電路和恒溫槽這兩部分組成。通過對高精密的控溫系統(tǒng)進行設計可以提高恒溫晶振的頻率和進行運用中溫度的控制，從而影響最終的短期穩(wěn)定度。如果在10-12/s量級的情況下，控溫精度對短期的穩(wěn)定度的影響體現(xiàn)不明顯。但在10-13/s量級下，就會對短期穩(wěn)定度造成很大的影響。在進行設計的過程中通常是采用放大流的控溫電路。由于我們主要研究的是對小型高穩(wěn)恒溫晶振的研究，因此對控溫方式的選擇主要是采用單層控溫的形式，通過對晶體、熱源以及電阻之間進行合理的安排，以此減少溫度對控溫精度造成影響。經(jīng)過測試，在零下30攝氏度和70攝氏度之間溫度環(huán)境下，溫度的穩(wěn)定度可以保持在±1×10-8之內(nèi)。

（四）高穩(wěn)恒溫抗振設計

抗振設計主要是針對力學敏感的晶振設備，對此進行設計需要掌握幾方面內(nèi)容，其一是在進行晶體管的選擇上由于SC與AT相比，SC具有AT所無法比擬的優(yōu)勢特點，SC具有更好的抗振性。在對此進行結(jié)構(gòu)設計中主要是采用具有重量輕、精度較好的合適結(jié)構(gòu)，以此保證電路板安裝緊固到結(jié)構(gòu)當中，通過相關設計，以保證產(chǎn)品的整體抗震能力。

三、測試結(jié)果

我們知道在10-13/1s量級的恒溫晶振中對此進行測試具有較高的要求，通過測試儀的運用，相關指標符合測試指標的標準，達到了小型化的設計。以下是對研制產(chǎn)品和OCXO8788進行測試的結(jié)果，通過以下表格進行了解：

四、結(jié)語

本文是基于對10MHz小型高穩(wěn)恒溫晶振的研究。在本文中對此進行研究主要是通過對降低噪聲的電路設計的方式進行對高精度控溫系統(tǒng)的設計這兩方面內(nèi)容進行，在文章的第一部分主要是對短期穩(wěn)定度的數(shù)學表達進行顯示，主要是通過公式的形式進行表達，對高穩(wěn)恒溫晶振的短期穩(wěn)定度的進行分析得出在進行晶體晶振諧振器需要提高晶體管的品質(zhì)因數(shù)，同時需要選擇具有降噪效果的晶體管進行使用，最后是選擇合適的輔助電路，最后是運用具有隔斷功能的單層恒溫槽的使用，主要是考慮到本文研究的主要是小型高穩(wěn)恒溫晶振的研究，以此防止由于環(huán)境因素造成的最終測試成果出現(xiàn)偏差。在第二部分是對低噪聲恒溫晶振研制進行設計，主要是通過低噪聲震蕩電路設計和精密控溫系統(tǒng)設計這兩方面進行完成，最后是通過數(shù)據(jù)表的形式對最終結(jié)果通過數(shù)據(jù)表現(xiàn)進行不同測試值，以此完成對小型高穩(wěn)恒溫晶振短期穩(wěn)定度的研究。

參考文獻：

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