高頻高穩(wěn)恒溫晶體振蕩器設(shè)計(jì)

彭慧麗 陳金和 韓艷菊 于德江 喬志峰 鄭鴻耀

(北京無(wú)線(xiàn)電計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100039)

1 引 言

恒溫晶體振蕩器作為系統(tǒng)的基準(zhǔn)頻率源，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、制導(dǎo)和空間探測(cè)等領(lǐng)域中。隨著系統(tǒng)探測(cè)精度的不斷提高，對(duì)恒溫晶體振蕩器的短期頻率穩(wěn)定度和老化率提出更高要求；而由于高速電路和系統(tǒng)小型化要求，對(duì)高頻高穩(wěn)恒溫晶體振蕩器產(chǎn)生了較大的需求[1-5]。

對(duì)于輸出頻率達(dá)到100MHz的高頻晶體振蕩器，通過(guò)石英諧振器直接振蕩，頻率穩(wěn)定度可達(dá)到2E-12/s[5,6]，而要實(shí)現(xiàn)E-13量級(jí)則較為困難，還不能滿(mǎn)足一些領(lǐng)域的應(yīng)用需求。本文采用10MHz低頻振蕩并進(jìn)行倍頻的方式，結(jié)合精密控溫設(shè)計(jì)，研制了100MHz高頻高穩(wěn)恒溫晶體振蕩器，測(cè)試結(jié)果表明，該晶振具有優(yōu)異的短期頻率穩(wěn)定度和老化率。

2 高頻高穩(wěn)晶體振蕩器設(shè)計(jì)

2.1 總體技術(shù)方案

理想情況下，倍頻不會(huì)影響到晶體振蕩器的短期頻率穩(wěn)定度[7]，因此，對(duì)于追求優(yōu)異短期頻率穩(wěn)定度的情況，高頻高穩(wěn)恒溫晶振多采用高穩(wěn)晶振結(jié)合鎖相倍頻，或低頻振蕩直接倍頻的方案。其中，采用鎖相方案的晶振噪底較好[8,9]，但鎖相環(huán)路較為復(fù)雜，且易受到環(huán)路器件性能的限制和其他附加噪聲的影響；直接倍頻方式雖然會(huì)抬高噪底，但是具有良好的近端相位噪聲，且電路形式簡(jiǎn)單，適用于對(duì)秒級(jí)和百秒級(jí)短期頻率穩(wěn)定度要求較高的場(chǎng)合。

為實(shí)現(xiàn)100MHz晶體振蕩器優(yōu)異的短期頻率穩(wěn)定度和老化率，本文設(shè)計(jì)的電路框圖如圖1所示，主要包括低頻振蕩電路、放大電路、低噪聲倍頻電路、濾波電路和控溫電路等組成部分。

圖1 電路設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Block diagram of designed circuit

振蕩電路部分采用10MHz高Q值石英諧振器形成穩(wěn)定的振蕩，信號(hào)經(jīng)放大后，通過(guò)低噪聲倍頻、放大、濾波，得到純凈的100MHz高頻高穩(wěn)振蕩信號(hào)。同時(shí)，為減小環(huán)境溫度變化對(duì)晶體振蕩器頻率的影響，設(shè)計(jì)了精密控溫電路和恒溫結(jié)構(gòu)，將石英諧振器及溫度敏感器件安裝在恒溫槽或控溫區(qū)域內(nèi)，保持其溫度的恒定，提高其頻率溫度穩(wěn)定度。

設(shè)計(jì)方案中，10MHz振蕩信號(hào)的短期頻率穩(wěn)定度是關(guān)鍵，我們對(duì)其進(jìn)行了深入分析。

工程上常采用Leeson模型來(lái)對(duì)振蕩器的相位噪聲進(jìn)行分析。Leeson模型采用近似線(xiàn)性分析法，得到式(1)[10-11]為

(1)

式中：α——與1/f噪聲電平相關(guān)的常數(shù)；f——相對(duì)于載波頻率ν0的頻偏；β——與白噪聲相關(guān)的系數(shù)；ν0——載波頻率；Q——諧振器有載品質(zhì)因數(shù)；F——放大器的噪聲系數(shù)。

其中，

β=2kTF/Ps

式中：k——玻爾茲曼常數(shù)；T——絕對(duì)溫度；Ps——閉環(huán)振蕩器模型中的放大器的輸入功率。

相對(duì)頻率偏移為

Sy(f)=h-2f-2+h-1f-1+h0f0+h1f1+h2f2

(2)

式中：h-2，h-1，h0，h1，h2——與頻率隨機(jī)游走噪聲、閃頻噪聲、白頻噪聲、閃相噪聲和白相噪聲相關(guān)的系數(shù)。

根據(jù)振蕩器時(shí)域頻率穩(wěn)定度和頻域頻率穩(wěn)定度的相互關(guān)系

(3)

將Leeson模型中的5種噪聲譜密度代入，可得振蕩器的阿倫方差，如圖2所示[12]。

圖2 振蕩器阿倫方差曲線(xiàn)圖Fig.2 Allan variance of oscillator

由圖2可知，要提高晶體振蕩器短期頻率穩(wěn)定度，可針對(duì)相應(yīng)頻率噪聲采取適當(dāng)措施。為降低振蕩器的閃頻噪聲，實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的秒級(jí)和百秒級(jí)穩(wěn)定度，設(shè)計(jì)中需要選取具有高Q值的石英諧振器并盡量提高振蕩回路的有載Q值，采用低噪聲晶體管并合理設(shè)置其工作點(diǎn)，盡量減小電源噪聲和溫度波動(dòng)帶來(lái)的影響。

2.2 高穩(wěn)定振蕩電路設(shè)計(jì)

振蕩電路是產(chǎn)生振蕩頻率的核心電路，是實(shí)現(xiàn)優(yōu)異短期頻率穩(wěn)定度和低老化率的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)采用Colpitts電路[11]，如圖3、圖4所示。該電路中，信號(hào)從集電極輸出，可明顯減小后級(jí)對(duì)振蕩回路的影響，改善晶體振蕩器的頻率負(fù)載允差，提高頻率穩(wěn)定度。所用石英諧振器為10MHz SC切三次泛音真空冷壓焊封晶體，Q值可達(dá)1.2×106，在電路中工作在并聯(lián)諧振狀態(tài)，與變?nèi)荻O管串聯(lián)，可以方便地調(diào)節(jié)輸出頻率。

圖3 Colpitts電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of Colpitts circuit

圖4 Colpitts電路交流等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit diagram of Colpitts AC circuit

圖3中，虛線(xiàn)框中的電路為B模抑制電路，在振蕩頻率處可等效為電容C2，一方面起到抑制石英諧振器基頻和高次泛音的作用，同時(shí)還與電容C1和石英諧振器共同參與振蕩。設(shè)計(jì)中，為了改善振蕩電路的噪聲特性，使用低噪聲系數(shù)的晶體管，并合理設(shè)置晶體管的偏置元件值，以調(diào)整放大器的直流、交流工作狀態(tài)，使放大級(jí)工作在較優(yōu)的噪聲匹配狀態(tài)，引入交流負(fù)反饋電阻，進(jìn)一步降低噪聲系數(shù)，提高頻率穩(wěn)定度。同時(shí)，調(diào)整石英諧振器的激勵(lì)功率，使其小于100μW，在保證晶體振蕩器順利起振的前提下，兼具良好的短期頻率穩(wěn)定度和老化率。

2.3 低噪聲倍頻電路設(shè)計(jì)

為滿(mǎn)足輸出頻率100MHz的要求，必須對(duì)振蕩電路產(chǎn)生的10MHz低頻信號(hào)進(jìn)行倍頻，并通過(guò)濾波改善輸出信號(hào)的諧波抑制。圖5中，Vicosωit為輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)倍頻后，變換為Vocosnωit，n為倍頻次數(shù)，由輸入輸出信號(hào)的頻率確定。

圖5 倍頻原理框圖Fig.5 Block diagram of frequency multiplication principle

理想情況下，n次倍頻后，信號(hào)相位噪聲惡化20lgn。而實(shí)際上，倍頻電路還會(huì)引入包括閃爍噪聲、調(diào)幅-調(diào)相(AM-PM)變換引起的噪聲、過(guò)度激勵(lì)時(shí)引起的噪聲、熱噪聲等在內(nèi)的附加噪聲，使得倍頻后信號(hào)的相位噪聲在理論值的基礎(chǔ)上再惡化(1～3)dB。因此，需要選擇合理的倍頻電路，并恰當(dāng)設(shè)置電路工作狀態(tài)，以降低倍頻器引入的噪聲。

設(shè)計(jì)采用圖6所示的晶體三極管非線(xiàn)性電阻倍頻方式。該電路性能穩(wěn)定、噪聲低，可工作頻率范圍寬。但是振蕩信號(hào)經(jīng)高階倍頻后，一般功率較低，為了得到要求輸出功率，還需對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波。放大電路不可避免地將引入噪聲，為了減小放大電路引入的噪聲，適當(dāng)調(diào)整其工作點(diǎn)，減小閃爍噪聲和白噪聲。

圖6 晶體管倍頻電路Fig.6 Frequency multiplication circuit with transistor

2.4 精密控溫設(shè)計(jì)及熱仿真分析

精密控溫設(shè)計(jì)的目的是當(dāng)外部環(huán)境溫度變化時(shí)，晶體振蕩器的輸出頻率等特性保持穩(wěn)定。這不僅有利于改善晶體振蕩器的頻率溫度穩(wěn)定性，對(duì)實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的短期頻率穩(wěn)定度，也具有非常重要的作用。

在恒溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將石英諧振器和振蕩電路置于恒溫槽內(nèi)，由功率管進(jìn)行加熱，并適當(dāng)選擇熱敏電阻位置，使其可以較為準(zhǔn)確地反映石英諧振器的溫度。恒溫槽采用鋁材料，具有大的比熱容和熱導(dǎo)率，不僅有利于減小槽內(nèi)熱梯度，使熱分布更為均勻；也有效提高恒溫結(jié)構(gòu)熱容量，減小溫度波動(dòng)。

控溫電路采用兩級(jí)比例積分(PI)控制電路，可實(shí)現(xiàn)無(wú)差控溫，從而提高控溫精度，其原理框圖如圖7所示，包含熱敏電阻橋式測(cè)溫電路、第一級(jí)PI放大電路、高增益運(yùn)算放大器N1、功率管N2和電阻R1～R5。采用兩級(jí)控制電路，可降低電源電壓波動(dòng)的影響，結(jié)合振蕩電路部分電源穩(wěn)壓設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高晶體振蕩器的頻率電壓穩(wěn)定性。該電路最大加熱電流IMAX如式(1)。

圖7 兩級(jí)比例積分(PI)控制電路圖Fig.7 Two stage PI control circuit

(4)

式中：VCC——電源電壓；VZ——穩(wěn)壓管輸出電壓。

由式(4)可知，晶體振蕩器最大加熱電流IMAX僅與電阻R1～R5的阻值和穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓Vz有關(guān)，而與功率管電流放大倍數(shù)無(wú)關(guān)，因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電阻值的大小來(lái)調(diào)節(jié)最大加熱電流，避免電流過(guò)沖和因晶體管參數(shù)離散而帶來(lái)的最大電流離散性，保持狀態(tài)穩(wěn)定。控溫電路中反饋系數(shù)的確定需要綜合考慮恒溫槽熱學(xué)結(jié)構(gòu)、熱敏電阻的熱學(xué)特性及其與功率管的相對(duì)位置等因素，在保證電路性能穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，提高對(duì)外界溫度變化的靈敏度。

在恒溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)完成后，對(duì)高頻高穩(wěn)恒溫晶體振蕩器進(jìn)行了熱學(xué)仿真。環(huán)境溫度為+25℃時(shí)仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 晶體振蕩器剖面熱分布仿真結(jié)果示意圖Fig.8 The simulated result of the OCXO’s section heat distribution

由圖8可知，恒溫槽所在的控溫區(qū)域內(nèi)熱梯度較小，熱分布均勻，可以很好地滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要。

3 產(chǎn)品制作及測(cè)試

采用上述電路方案實(shí)際制作了100MHz高頻高穩(wěn)恒溫晶振，體積為50mm×50mm×30mm，實(shí)物圖如圖9所示。

圖9 晶體振蕩器實(shí)物圖Fig.9 Photo of crystal oscillator

晶振輸出功率為11.3dBm，諧波優(yōu)于-50dBc，穩(wěn)定功耗小于2W(@25℃)。采用8607超穩(wěn)晶體振蕩器作為參考源，用5125A測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試了晶體振蕩器的短期頻率穩(wěn)定度，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。短期頻率穩(wěn)定度(阿倫方差)為2.68E-13/1s，2.54E-12/100s。用經(jīng)GPS馴服的BM2101-02高性能原子鐘作為參考，測(cè)量得到晶體振蕩器的老化率為+7E-11/d，老化曲線(xiàn)如圖11所示。在溫度范圍-40℃～+70℃內(nèi)測(cè)得晶振的頻率溫度穩(wěn)定度為±6.9E-9，測(cè)試結(jié)果如圖12所示。將恒溫晶振進(jìn)行正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)、沖擊和溫度沖擊等多項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)考核。結(jié)果表明，晶振試驗(yàn)前后頻率變化均小于±5E-9，性能穩(wěn)定，可靠性高。

表1 短期頻率穩(wěn)定度(阿倫方差)測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of short term stability (Allan Deviation)采樣時(shí)間(s)阿倫方差σy(τ)噪底0.0017.190 2E-118.007 96E-120.0024.137 6E-119.375 31E-120.0042.513 9E-111.269 43E-110.011.583 6E-111.621 86E-120.023.033 9E-121.123 35E-120.041.534 9E-121.413 75E-120.16.794E-136.264 21E-140.24.018E-133.646 92E-140.43.058E-132.735 44E-1412.686E-132.765 25E-1422.999E-132.952 70E-1443.958E-131.070 21E-14107.11E-138.655 60E-15201.097E-121.018 79E-14401.49E-121.042 19E-141002.54E-121.158 05E-142004.42E-121.321 10E-144007.9E-121.063 66E-1410001.78E-111.558 08E-14

圖10 阿倫方差測(cè)試曲線(xiàn)圖Fig.10 The curve of the Allan variance test results

圖11 老化測(cè)試曲線(xiàn)圖Fig.11 The curve of the aging test results

圖12 頻率溫度穩(wěn)定度測(cè)試曲線(xiàn)圖Fig.12 The curve of frequency vs.temperature test results

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)高頻高穩(wěn)恒溫晶體振蕩器的需求，在對(duì)短期頻率穩(wěn)定度分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了低頻高穩(wěn)振蕩電路，并結(jié)合精密控溫設(shè)計(jì)，得到高穩(wěn)定10MHz信號(hào)。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行低噪聲直接倍頻，得到100MHz高頻高穩(wěn)恒溫晶振。短期頻率穩(wěn)定度達(dá)到2.68E-13/s,2.54E-12/100s，老化率優(yōu)于7E-11/d，并經(jīng)環(huán)境試驗(yàn)考核，性能穩(wěn)定、可靠性高，有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)成、降低系統(tǒng)復(fù)雜度，具有廣闊的應(yīng)用前景。