一種小型低相位噪聲恒溫晶體振蕩器的設(shè)計(jì)

文/賈偉琦

晶體振蕩器作為穩(wěn)定的頻率基準(zhǔn)源，被廣泛應(yīng)用于通信、廣播、導(dǎo)航及多種測(cè)量?jī)x器中。其性能指標(biāo)直接影響著整機(jī)系統(tǒng)的多項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。相位噪聲性能是指各種隨機(jī)噪聲造成的瞬時(shí)頻率或者相位的起伏，表征輸出頻率的短期頻率穩(wěn)定度，作為晶振的關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)整機(jī)系統(tǒng)的性能參數(shù)有著重要意義。本文從理論的角度展開分析，針對(duì)一種小型低相噪恒溫晶振的設(shè)計(jì)特征進(jìn)行說(shuō)明。

1 理論分析

在晶體振蕩電路中，電阻、電容、電感、二極管、晶體管等都會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部噪聲，但是噪聲會(huì)有所不同，其中晶體管的噪聲最大，在電氣環(huán)境中帶來(lái)的影響也最大，而電阻或者電容等元件則相對(duì)影響較小，在某些情況下甚至可以視為無(wú)噪聲元件。

對(duì)于晶體振蕩器而言，其相位噪聲共有五種模式，即白噪聲調(diào)相、閃爍噪聲調(diào)相、白噪聲調(diào)頻、閃變?cè)肼曊{(diào)頻和頻率隨機(jī)游動(dòng)。但是在晶體管實(shí)際的工作過(guò)程中，并非五種噪聲共同作用，其影響力，通常由比較突出的三、四種噪聲引起，而在這其中，附加噪聲、干擾噪聲，以及調(diào)頻閃變?cè)肼暤淖饔米畈蝗莺鲆暋?/p>

根據(jù)Leeson模型（振蕩器的相位噪聲模型）分析，晶體諧振器的有載Q值越高，振蕩器的噪聲性能越好。也就是說(shuō)，需要切實(shí)提升諧振器的有載Q值，才能獲取良好的工作狀態(tài)。這需要進(jìn)一步展開工作，切實(shí)提升諧振器自身的Q值，并且優(yōu)化的主振電路，盡量減小振蕩回流的損耗，將空載Q值盡最大可能轉(zhuǎn)換成為有載Q值。晶體諧振器自身的Q值不可能無(wú)限制提升，因此晶振低相噪實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是如何進(jìn)一步提升晶體諧振器在振蕩電路中的有載Q值。

在高穩(wěn)晶振中，振蕩電路通常采用反饋型電路予以實(shí)現(xiàn)。依據(jù)晶體諧振器在振蕩電路中的作用原理，可以將反饋型振蕩電路進(jìn)一步劃分為兩種，即串聯(lián)振蕩型以及并聯(lián)振蕩型。其中前者是將晶體諧振器置于放大網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)之間，從實(shí)現(xiàn)形態(tài)上看保持串聯(lián)，能夠發(fā)揮選頻作用。當(dāng)振蕩電路頻率與晶體諧振器串聯(lián)諧振頻率相同時(shí)，晶體諧振器就會(huì)呈現(xiàn)出純阻性特征。在這一領(lǐng)域，通常采用巴特勒電路實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，整體效果良好。而對(duì)于后者而言，皮爾斯電路和考畢茲電路是比較常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)方式，從結(jié)構(gòu)上，就是將晶體諧振器置于反饋網(wǎng)絡(luò)中，作為振蕩回路的一個(gè)電抗元件參與工作，和回路的其他元件一起共同決定系統(tǒng)的工作頻率。當(dāng)振蕩電路頻率控制在晶體諧振器串、并聯(lián)諧振頻率之間的時(shí)候，晶體諧振器呈感性。

晶體在電路的有載Q值要提高，必須選取相對(duì)較好的振蕩電路形式。晶體的有載Q值可以表達(dá)為式（1）：

式（1）中，Lx為晶體等效電感；RS以及RL分別表示晶體等效電阻以及晶體負(fù)載電阻。

電路中的電阻損耗直接導(dǎo)致有載Q值小于晶體自身Q值。為了盡量縮小晶體的Q值損耗，應(yīng)對(duì)RL展開有效控制，確保Q值不會(huì)因RL而顯著惡化。在并聯(lián)振蕩電路中，將晶體放置于晶體管的集電極和基極的情況時(shí)，等效RL相對(duì)較大；而在串聯(lián)振蕩電路中，將晶體串聯(lián)在發(fā)射極的時(shí)候，有載Q值會(huì)相對(duì)而言更具有優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，采用并聯(lián)振蕩電路還需要加入晶體的B模抑制網(wǎng)絡(luò)，會(huì)使晶體Q值進(jìn)一步降低。因此，從噪聲降低的角度考慮，串聯(lián)振蕩電路是相對(duì)更優(yōu)的選擇。

2 產(chǎn)品研制

2.1 器件選型

由上述可見(jiàn)，晶體諧振器、晶體管等器件對(duì)相噪的影響很大。故在低相噪晶振設(shè)計(jì)中，對(duì)晶體諧振器、晶體管等器件的選型很關(guān)鍵。

晶體諧振器：對(duì)于切型、Q值、泛音次數(shù)、拐點(diǎn)、頻差、等效電阻、靜態(tài)電容等參數(shù)都要進(jìn)行慎重考慮。在本文設(shè)計(jì)中，通過(guò)綜合考慮，本文選用了SC切5次泛音高Q晶體諧振器。

晶體管：需重點(diǎn)考慮噪聲系數(shù)，并兼顧低溫漂、高增益、小封裝等要求。

其他器件：均需重點(diǎn)考慮低噪聲的要求。

2.2 電路設(shè)計(jì)

2.2.1 振蕩電路

傳統(tǒng)的巴特勒結(jié)構(gòu)電路，振蕩模式復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy?？梢钥紤]對(duì)傳統(tǒng)巴特勒電路進(jìn)行改進(jìn)，面向電路以及相關(guān)參數(shù)展開設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于輸出信號(hào)相位噪聲的優(yōu)化。

2.2.2 穩(wěn)壓電路

電源線上的噪聲對(duì)晶振影響很大，因此低噪聲晶振的穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)極其重要。在對(duì)電路系統(tǒng)展開設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)注重穩(wěn)壓器件選用低噪聲與紋波的線性穩(wěn)壓器。在PCB布線時(shí)，要充分考慮電源濾波，使電源紋波對(duì)各級(jí)電路的影響達(dá)到最小。

2.2.3 放大電路

在展開電路設(shè)計(jì)的時(shí)候，可以考慮直接從晶體引出振蕩信號(hào)，但同時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，晶振的放大級(jí)要選用具有更低輸入阻抗的共基極低噪聲放大器，唯有如此才能確保其能夠與晶體實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，有載Q值得到提升。在晶體管的選用上則應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考察低噪屬性，兼顧偏置電路。但放大器的直流工作點(diǎn)，則應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注放大電路工作在線性狀態(tài)，并且放大電路中酌情引入負(fù)反饋，同樣對(duì)于降低閃爍調(diào)相和閃爍調(diào)頻噪聲存在積極價(jià)值。

2.2.4 濾波電路

設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮在輸出端增加帶通濾波電路，將輸出端與振蕩電路加以隔離，減小負(fù)載變化對(duì)主振狀態(tài)的影響，提升輸出信號(hào)的頻譜純度。

2.2.5 控溫電路

可以考慮選擇比例積分反饋的連續(xù)式控溫電路，在提升控溫電路的靈敏度的同時(shí)，加強(qiáng)控溫精度及環(huán)境適應(yīng)性。

2.3 測(cè)試結(jié)果

本文研制的10MHz小型超低相噪恒溫晶振，相噪指標(biāo)最優(yōu)達(dá)到-168dBc/1kHz，達(dá)到了預(yù)期的研制目標(biāo)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)高Q值晶體和低噪聲電路實(shí)現(xiàn)了超低相噪恒溫晶振的設(shè)計(jì)，具有的低相噪性能，達(dá)到了國(guó)外同類產(chǎn)品先進(jìn)水平，具備很好的應(yīng)用前景。

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