基于小型化超低短穩(wěn)高穩(wěn)定度恒溫晶振的設(shè)計(jì)

郭 旺

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050000）

1 引言

恒溫晶體振蕩器是目前頻率穩(wěn)定度和精確度最高的晶體振蕩器。它作為高精密穩(wěn)定的信號(hào)源被應(yīng)用在各種類型的通信領(lǐng)域中，如軍事領(lǐng)域中的雷達(dá)和通信導(dǎo)航、工業(yè)領(lǐng)域的測(cè)量設(shè)備和調(diào)制解調(diào)器、汽車領(lǐng)域的傳感器和GPS 應(yīng)用等。恒溫晶振的設(shè)計(jì)就是利用高Q 值、低老化的晶體諧振器和合理的恒溫槽布局來(lái)達(dá)到低老化、高穩(wěn)定的指標(biāo)技術(shù)，進(jìn)而保證其在各類通信系統(tǒng)中的應(yīng)用要求。而短穩(wěn)是恒溫晶體振蕩器一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)，它的指標(biāo)的提高對(duì)各類通信系統(tǒng)的最終性能會(huì)有很大提升，如超低的短穩(wěn)能夠降低通信系統(tǒng)中的誤碼率，在測(cè)試設(shè)備中能夠提高系統(tǒng)的測(cè)試精度。本文所闡述的恒溫晶振所能夠達(dá)到的上述指標(biāo)有：溫度特性：＜±0.1ppb/-40～+85℃；老化特性：＜±0.1ppb/日；短穩(wěn)：0.0005ppb/s。

2 電路設(shè)計(jì)

恒溫晶振的電路設(shè)計(jì)分為振蕩電路（主振電路）和控溫電路兩個(gè)部分。

2.1 主振電路的設(shè)計(jì)

振蕩電路的設(shè)計(jì)有串聯(lián)晶體振蕩器和并聯(lián)晶體振蕩器兩種。并聯(lián)型晶體諧振器電路是晶體接在反饋網(wǎng)絡(luò)中，并與電路中其他電抗元件構(gòu)成并聯(lián)諧振回路；在串聯(lián)型晶體電路中，晶體與負(fù)載電容串聯(lián)，工作時(shí)呈純阻性。為了便于可生產(chǎn)性和調(diào)試方便等原因，本文采用了并聯(lián)振蕩電路的共集柯爾匹茲電路形式，主振電路圖見(jiàn)圖1。

圖1 主振電路

D.B.Leeson 曾經(jīng)提出的關(guān)于反饋振蕩器的簡(jiǎn)單噪聲模型與實(shí)際情況具有非常好的符合性，因此被廣泛應(yīng)該于振蕩器噪聲的分析中。故當(dāng)主振電路確定好之后，我們將在以下方面提高老化和短期穩(wěn)定度指標(biāo)：

（1）采用高Q 值的晶體諧振器，并盡快能的來(lái)加大主振電路的有載Q 值。

（2）采用低噪聲的晶體三極管，設(shè)置適當(dāng)?shù)木w管偏執(zhí)電壓和較低的工作電流，如適當(dāng)調(diào)整R19、R20、R29。

（3）合理選擇輔助電路形式和參數(shù)，如電源濾波采用二次穩(wěn)壓及低噪聲的穩(wěn)壓器。

通過(guò)以上三個(gè)方面的設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)試，主振電路部分能夠?qū)崿F(xiàn)晶振的低老化和超低短期穩(wěn)定度的要求。

2.2 控溫電路的設(shè)計(jì)

為了能夠盡量降低環(huán)境溫度波動(dòng)引起的頻率穩(wěn)定度的惡化以及實(shí)現(xiàn)低短穩(wěn)高穩(wěn)定度的指標(biāo)要求，本設(shè)計(jì)采用了雙層恒溫槽的控溫方式。內(nèi)外兩層恒溫槽控溫電路均選用直接放大式連續(xù)控溫電路，直接放大式連續(xù)控溫電路工作于直流狀態(tài)，受外界干擾小，電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)。雙層恒溫槽設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是優(yōu)良的保溫性能和合理的結(jié)構(gòu)形式。優(yōu)良的保溫性能可以降低加熱功耗和穩(wěn)定功耗，降低環(huán)境溫度波動(dòng)對(duì)控溫精度的影響；本設(shè)計(jì)將主振電路、晶體諧振器、熱敏電阻和加熱功率管都放在內(nèi)層恒溫槽內(nèi)，這樣能夠?？販鼐取Ｍ鈱涌販夭壑饕販仉娐泛臀⑻幚砥?，微處理器用來(lái)采集內(nèi)槽的控溫狀態(tài)以及控制內(nèi)外槽槽溫。

3 測(cè)試結(jié)果

由于本文設(shè)計(jì)的產(chǎn)品短穩(wěn)已經(jīng)達(dá)到了5*10e-13的數(shù)量級(jí)，普通設(shè)備的測(cè)量精度已經(jīng)無(wú)法達(dá)到要求。所以建議采用測(cè)試精度較高的測(cè)試設(shè)備和參考源，如本次實(shí)驗(yàn)的測(cè)試設(shè)備為5125A，參考源為高穩(wěn)定度的DBV-10M 參考源。經(jīng)過(guò)前期的實(shí)驗(yàn)和參數(shù)的調(diào)整，測(cè)試結(jié)果如下圖2和圖3：

圖2 短期穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果

圖3 頻率溫度特性測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了一款基于超低短穩(wěn)和高穩(wěn)定度恒溫晶振的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)關(guān)鍵元器件的選型、電路參數(shù)的優(yōu)化、控溫槽的合理布局，以達(dá)到低短穩(wěn)高穩(wěn)定度的指標(biāo)要求，最終經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)思路的可行性和可量產(chǎn)性，同時(shí)做到了小型化，能夠滿足市場(chǎng)的需求，具有廣闊的市場(chǎng)需求。