一种基于门振荡电路的恒温晶振设计
新型恒温晶振原理及实现
• 92•描述了一种新型恒温晶振（OCXO）的设计方案，在恒温晶振（OCXO）研究基础上，通过对控温电路的优化设计，并采用热敏网络补偿技术，以恒温控制为主，温度补偿为辅，先进行恒温控制，再进行温度补偿。
两者相互结合取得优良的温频特性。
新型恒温晶振的工作电压仅为5V。
其温度-频率特性及相位噪声分别达到≤±1ppb（-40～+70℃）和≤-158dBc/Hz@1kHz的指标。
稳态功耗仅为1.2W，体积为36*27*12.7mm。
引言：石英晶体振荡器是无线电设备的核心部件，是通信、广播、雷达、电子对抗、遥控遥测及许多测量仪器必不可少的部件，其中恒温晶体振荡器（OCXO ）是一种频率稳定性最好的高精密晶体振荡器（蒋松涛，一种小型超低相噪恒温晶振的设计：压电与声光，2015）。
大量应用于高端通讯设备中。
目前温频特性要达到10-9～10-11数量级普遍采用双层恒温技术。
存在预热时间长，体积大，功耗高等缺点（赵声衡，晶体振荡器：科学出版社，2008）。
本文描述了一种恒温控制为主，温度补偿为辅，两者相结合的新型OCXO 设计方案。
并成功研制了体积为36×27×12.7（mm ），温度稳定度优于±1×10-9的小体积低功耗恒温晶振。
1 晶体谐振器温频特性晶体谐振器是一种基于压电效应实现的机械振动系统。
其晶片切型有很多种，包括AT 切、SC 切、BT 切等。
其中比较常用、生产较成熟的是AT 切和SC 切。
SC 切谐振器的显著特点是其频率与温度之间有近似的三次函数关系，因而它具有零温度系数点（John R.Vig Quartz Crystal Resonators and Oscillators For Frequency Control and Timing Applications:U.S.Army Communications-Electronics Command,2001）。
晶振 恒温
晶振恒温技术在电子设备中的应用晶振（Crystal Oscillator）是一种可以根据外部电压或电流激励而产生稳定的、高度一致的频率振荡的装置。
恒温技术则是通过控制设备的温度，保持其在一个恒定的温度范围内工作，以实现设备的稳定性和可靠性。
本文将介绍晶振恒温技术在电子设备中的应用。
晶振是现代电子设备中不可或缺的元件，它的主要作用是为设备提供精确的时钟信号。
晶振的频率稳定性对于设备的正常运行至关重要。
然而，晶振的频率会受到环境温度的影响，温度的变化会导致晶振频率的不稳定，从而影响设备的性能。
为了解决这个问题，晶振恒温技术被广泛应用于电子设备。
晶振恒温技术使用温度传感器来监测晶振的工作温度。
当温度发生变化时，恒温电路会根据传感器反馈的信号调整温度，使晶振保持在一个恒定的温度范围内。
恒温电路可以通过加热或降温来调整温度，以确保晶振的工作温度始终在合适的范围内。
晶振恒温技术具有以下优点和应用价值：1.提高设备的性能稳定性：晶振恒温技术可以消除温度对晶振频率的影响，保持晶振的工作频率稳定。
这可以提高设备的定时精度和性能稳定性，确保设备正常工作。
2.增强设备的抗干扰能力：晶振频率的稳定性对设备的抗干扰能力有重要影响。
通过晶振恒温技术，设备可以在不同温度环境下保持稳定的工作频率，从而提高设备的抗干扰能力。
3.延长设备的使用寿命：晶振在较高的温度下工作，会导致其老化加快，缩短设备的使用寿命。
通过恒温技术，晶振可以在较低的温度下工作，延长其使用寿命，提高设备的可靠性。
4.广泛应用于通讯设备：晶振恒温技术在通讯设备中得到广泛应用。
例如，在无线通信设备中，晶振的频率稳定性会直接影响信号的传输质量和传输距离。
通过晶振恒温技术，可以提高通信设备的稳定性和传输性能。
总之，晶振恒温技术是现代电子设备中重要的技术之一，它可以提高设备的性能稳定性、抗干扰能力和使用寿命。
晶振恒温技术在通讯设备等领域有着广泛的应用。
随着电子设备的不断发展，晶振恒温技术将继续得到重要的关注和应用。
一种基于门振荡电路的恒温晶振设计
一种基于门振荡电路的恒温晶振设计作者：孙晓英来源：《电子技术与软件工程》2015年第17期摘要门电路振荡器是一种新型的振荡器，本文介绍了基于门振荡电路的恒温晶振设计方法，对其电路的组成部分振荡电路、控温电路、稳压电路、放大电路等进行了详细分析，并给出了研制晶振的测试结果，结果表明恒温晶振在体积为36mm×27mm×13mm的情况下，其相位噪声、频率温度稳定性等技术指标达到了预期的研制目标。
【关键词】恒温晶振门振荡电路超低相位噪声高稳定度1 引言晶体振荡器是电子装备的核心器件，可广泛应用于雷达、电子对抗、通讯、航天测控等系统中，近年来，各类工程对具有低相位噪声、高稳定性、小体积和良好一致性的晶振提出了批量配套的需求。
对此，本文研制出了一种基于门振荡电路的小型超低相噪恒温晶振（标称频率为10MHz，体积为36mm×27mm×13mm），并对该电路进行了电路设计分析，测试结果表明在小体积条件下可实现晶振超低相噪和高稳定度的研制目标。
2 电路设计该电路采用了如下设计方案，晶体振荡器原理框图如图1所示。
电路部分主要由稳压电路、频率调节电路、振荡电路、放大电路、整形电路、控温电路六部分组成。
2.1 振荡电路振荡电路是整个产品的核心，常用的晶体振荡器电路主要有串联反馈型振荡电路和并联反馈型振荡电路。
因并联反馈型振荡电路能够尽量减少杂散电容和分布参数对频率稳定度的影响，电路应用频率范围较宽，频率稳定度较高，故振荡电路采用并联反馈型电容三点式振荡电路方案。
但因传统振荡电路中放大器多采用晶体管，偏置电路相对复杂，且晶体管易受到极间电容影响，在高频振荡时容易对振荡状态带来影响；同时晶体管技术参数易受温度变化影响，也会对振荡电路温度系数带来恶化。
为解决上述一系列问题，采用逻辑非门振荡电路，其交流等效电路如图2所示：在逻辑非门振荡电路中，逻辑非门起到反相放大器的作用，它将输入的信号相移大约180°后输出；电容C2和电感L1并联组成B模和泛音抑制网络，在10MHz处等效为电容C2′，晶体谐振器等效为电感，与C1、C2′一起组成π型网络，产生另外180°相移，所以整个环路的相移为360°，从而满足了保持振荡的条件。
一种小型低相位噪声恒温晶体振荡器的设计
一种小型低相位噪声恒温晶体振荡器的设计摘要本文介绍了一种小型低相位噪声恒温晶体振荡器的设计。
该设计基于晶体振荡器的原理，通过合理选择晶体管、电容器和电阻器等元器件，设计出了一个高稳定性、低相位噪声的恒温晶体振荡器电路。
实验结果表明，该恒温晶体振荡器具有很好的性能，可广泛应用于通信、测量等领域。
关键词：恒温晶体振荡器；相位噪声；稳定性1.引言恒温晶体振荡器是现代电子设备中常用的一种频率稳定的振荡器。
它广泛应用于通信、测量、导航等领域，是这些领域中的关键部件。
恒温晶体振荡器具有频率稳定、相位噪声低等优点，但是在一些特定的应用场合中，对低相位噪声和高稳定性的要求更高。
因此，设计一种小型低相位噪声的恒温晶体振荡器具有重要意义。
2.设计原理恒温晶体振荡器的基本原理是利用晶体振荡器的共振性质，在晶体的共振频率上产生稳定的正弦信号。
在设计恒温晶体振荡器时，需要注意选择合适的元器件，以达到设计的要求。
3.设计步骤(1)选择晶体管：为了实现低相位噪声和高稳定性，需要选择质量好的晶体管。
在本设计中，选择了型号为9018的晶体管。
(2)选择电容器和电阻器：根据振荡器的工作频率和稳定性要求，选择了合适的电容器和电阻器。
(3)设计反馈网络：通过合理设计反馈网络，实现振荡器的正弦输出信号。
4.实验结果经过实验测试，设计的恒温晶体振荡器具有很好的性能。
其频率稳定性高，相位噪声低，适用于各种通信、测量等应用场合。
实验结果表明，设计的恒温晶体振荡器可以满足实际应用的需求。
5.结论本文设计了一种小型低相位噪声的恒温晶体振荡器，基于双晶体振荡器的结构，采用高质量的晶体管和电容器，实现了高稳定性和低相位噪声的振荡器电路。
实验结果表明，该设计具有很好的性能，可广泛应用于通信、测量、导航等领域。
基于热仿真的高稳恒温晶振的设计
第４２卷第１期２０１９年２月电子器件ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓＶｏｌ ４２㊀Ｎｏ １Ｆｅｂ.２０１９收稿日期:２０１７－０５－０４㊀㊀修改日期:２０１７－０７－０６ＴｈｅＤｅｓｉｇｎｏｆＨｉｇｈ￣ＳｔａｂｉｌｉｔｙＯＣＸＯＢａｓｅｄｏｎＴｈｅｒｍａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＣＨＥＮＰｉｎｇｐｉｎｇ∗(ＢｏｗｅｉＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔｓＣｏ.ＬｔｄꎬＳｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５００５１ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＨｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｔｈｅｒｍｏｓｔａｔｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｔｈｅｋｅｙｔｏｄｅｓｉｇｎＯＣＸＯ(ＯｖｅｎＣｒｙｓｔａｌＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ).ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｏｂｔａｉｎｈｉｇｈｓｔａｂｉｌｉｔｙＯＣＸＯꎬａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｐｒｅｖｉｏｕｓｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅꎬｗｅｄｅｓｉｇｎｅｄｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｔｈｅｒｍｏｓｔａｔｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｍａｄｅｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｈｒｏｕｇｈＡＮＳＹＳＩｃｅｐａｋｓｏｆｔｗａｒｅ.Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓꎬｗｅｇｏｔｔｈｅｂｅｓｔｔｈｅｒｍｏｓｔａｔｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅ.Ａｔｌａｓｔꎬａ３６ｍｍˑ２７ｍｍˑ１３ｍｍＯＣＸＯｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ.Ｉｔｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｃａｎｂｅｌｅｓｓｔｈａｎ１ˑ１０－９.ＰｒａｃｔｉｃｅｈａｓｐｒｏｖｅｄｔｈｅＡＮＳＹＳＩｃｅｐａｋｔｈｅｒｍａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＯＣＸＯｃａｎｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｔｈｅｒｍｏｓｔａｔｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｗｏｒｋｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｏｖｅｎｃｒｙｓｔａｌｏｓｃｉｌｌａｔｏｒꎻｔｈｅｒｍａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎻＡＮＳＹＳＩｃｅｐａｋꎻｔｈｅｒｍｏｓｔａｔｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎻｆｒｅｑｕｅｎｃｙ￣ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔａｂｉｌｉｔｙＥＥＡＣＣ:１２３０Ｂꎻ２８６０㊀㊀㊀㊀ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００５－９４９０.２０１９.０１.０３９基于热仿真的高稳恒温晶振的设计陈萍萍∗(河北博威集成电路有限公司ꎬ石家庄０５００５１)摘㊀要:高精度的恒温结构是设计高稳恒温晶体振荡器的关键ꎮ为了获取高稳定的恒温晶振ꎬ根据以往的经验ꎬ我们设计了３种恒温槽结构ꎬ并运用ＡＮＳＹＳＩｃｅｐａｋ软件对这３种结构进行热仿真ꎬ通过仿真结果比较得出最优方案ꎬ最终设计出体积为３６ｍｍˑ２７ｍｍˑ１３ｍｍ的恒温晶体振荡器ꎬ其频率温度稳定度ɤ１ˑ１０－９ꎮ实践证明ꎬＩｃｅｐａｋ软件进行恒温晶体振荡器的设计ꎬ可以优化恒温槽的结构ꎬ提高工作效率ꎮ关键词:恒温晶体振荡器ꎻ热仿真ꎻＡＮＳＹＳＩｃｅｐａｋꎻ恒温结构ꎻ频率温度稳定度中图分类号:ＴＮ７５３.９㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００５－９４９０(２０１９)０１－０２０６－０４㊀㊀由于晶体的频率温度特性ꎬ温度成为影响晶体振荡器频率稳定度最主要的因素ꎬ温度的控制和处理一直是提高晶振稳定度的主要手段[１]ꎮ在恒温晶振设计阶段ꎬ通过热分析软件对电路板及恒温槽的散热进行仿真分析ꎬ可以在投板前仿真出晶体谐振器的温度变化ꎬ根据仿真结果不断改进恒温槽结构的设计ꎬ减少再生产的成本ꎬ压缩研发周期ꎮ本文对恒温晶振３种不同的热结构进行了热仿真分析ꎬ并根据仿真结果选取最佳热结构进行产品设计ꎬ最终通过实际产品对仿真结果进行了验证ꎬ实验证明ꎬ热仿真分析在恒温晶振的设计过程中具有很重要的指导意义ꎮ１㊀晶体的频率温度特性晶体的频率温度特性是指当晶体谐振器的工作温度变化时ꎬ晶体的晶格会发生变形ꎬ从而导致振荡频率发生变化[２]ꎮ石英谐振器相对频偏与温度的关系称为晶体的静态温度系数ꎬ由晶体的切型和角度所决定ꎬ选择合适的切角ꎬ可以得到具有零温度系数的晶体ꎬ本文设计中采用的是ＳＣ切型的晶体ꎬ其频率与温度的关系如式(１)所示[３]:Δｆ/ｆ０＝ａ０(Ｔ－Ｔ０)＋ｂ０(Ｔ－Ｔ０)２＋ｃ０(Ｔ－Ｔ０)３(１)式中ꎬＴ为谐振器的温度ꎬＴ０为参考温度ꎬｆ０为参考温度点的频率ꎬａ０㊁ｂ０㊁ｃ０分别为谐振器的一次㊁二次㊁三次温度系数ꎮ式(１)所对应的ＳＣ切晶体典型频率温度曲线如图１所示ꎮ图１㊀典型ＳＣ切晶体的温频曲线由图１可以看出ꎬＳＣ切晶体的频率温度曲线拐点为ｄ２ｆ(Ｔ)ｄＴ２＝０ꎬ在拐点附近ꎬ存在上下翻转点ｄｆ(Ｔ)ｄＴ＝０ꎬ第１期陈萍萍:基于热仿真的高稳恒温晶振的设计㊀㊀图中以上拐点和下拐点进行标注ꎮ已知在拐点附近ꎬ晶体的频率温度特性最小ꎮ当温度范围较宽时ꎬ所有切型石英谐振器的频率都随温度而有一定的变化ꎬ只有当温度范围在零温度系数点附近小范围波动时ꎬ晶体的频率变化才会达到最小ꎮ为提高频率稳定度ꎬ通常有两种方法ꎬ一是采用温度补偿ꎬ二是使晶体处于恒温环境[４]ꎮ恒温晶体振荡器就是采用第２种方法ꎮ设计原理是将晶体置于恒温槽中ꎬ并把恒温槽的温度稳定在晶体的拐点温度处ꎬ利用晶体谐振器在拐点温度处频率温度系数最小的特性ꎬ减小外界环境温度变化对晶体频率的影响ꎮ由图１可知ꎬΔＴ０越小ꎬ控温精度越高ꎬ温度对频率的影响越小ꎮ因此ꎬ为了设计出高稳定的恒温晶振ꎬ高精度的恒温槽是关键ꎬ这就需要对热结构进行精确地分析和设计ꎮ影响恒温晶振热结构特性的因素主要有ＰＣＢ板的布局㊁加热管的选择㊁恒温槽的设计等ꎮ２㊀Ｉｃｅｐａｋ简介Ｉｃｅｐａｋ软件是ＡＮＳＹＳ系列软件中针对电子行业的散热仿真优化分析软件ꎬ可以模拟电子行业涉及的散热㊁流体等相关工程问题ꎬ比如强迫风冷㊁自然冷却㊁ＰＣＢ单板的散热等ꎮＡＮＳＹＳＩｃｅｐａｋ使用Ｆｌｕｅｎｔ计算流体力学(ＣＦＤ)求解器ꎬ借助强大的网格划分功能ꎬ具有鲁棒性好㊁计算精度高㊁求解速度快的优点[５－６]ꎮＩｃｅｐａｋ在对电子产品的恒温控制的仿真过程中ꎬ通过对元器件的分布位置㊁材料属性以及周围环境温度的设置ꎬ可以比较准确的仿真出产品内部的温度分布ꎮ仿真流程:建立热模型－ＣＡＤ模型转化－模型导入Ｉｃｅｐａｋ－划分网格－参数设置－仿真运行－后处理显示ꎮ３㊀仿真分析３.１㊀建立热模型为了获取高稳定的恒温晶振ꎬ本文中针对ＴＯ－８结构的晶体ꎬ通过选择不同封装的加热管以及恒温槽在ＰＣＢ板位置的不同ꎬ设计了３种结构ꎮ结构１将晶体及恒温槽放在ＰＣＢ板的中心位置ꎬ采用两个较大封装的加热管相对晶体斜角对称分布ꎬ如图２所示ꎮ结构２相比结构１将加热管对称分布在恒温槽的两侧ꎬ但由于ＰＣＢ板空间有限ꎬ将晶体及恒温槽整体向左侧偏移ꎬ如图３所示ꎮ结构３保证晶体及恒温槽在ＰＣＢ板中心ꎬ采用４个小型加热管ꎬ分布在恒温槽的两侧ꎬ如图４所示ꎮ图２㊀结构１的立体模型图３㊀结构２的立体模型图４㊀结构３的立体模型分别将这３种几何模型导入ＤｅｓｉｇｎＭｏｄｅｌｅｒ后ꎬ通过ｓｉｍｐｌｉｆｙ㊁ｂｏｏｌｅａｎ等工具对ＣＡＤ几何体进行简化处理[７－８]ꎬ然后导入Ｉｃｅｐａｋꎬ对其划分多级化网格ꎮ３.２㊀参数设置仿真计算区域默认为晶振的内部空间ꎬ将尺寸设置为３６ｍｍˑ２７ｍｍˑ１３ｍｍꎻ打开自然对流和辐射换热ꎻ设置重力参数为－９.８ｍ/ｓ２ꎻ模拟测试环境的温度ꎬ将温度分别设置－２０ħ㊁２５ħ㊁７０ħ分别先后进行三次仿真ꎮ晶体表面设置为Ｎｉ￣ｏｘｉｄｉｓｅｄꎬ材料设置为铜ꎬＰＣＢ板材料选择ＦＲ－４ꎬ恒温槽根据实际加工材料ꎬ表面为镀银ꎬ实体材料设置为铝ꎬ加热管焊盘设置为焊锡材料ꎮ根据环境温度变化ꎬ加热管电流大小有所变化ꎬ根据加热电路的设计可以知道每个温度点对应的加热管的功耗ꎬ从而设置加热管功率ꎮ３.３㊀计算结果及分析３.３.１㊀仿真结果通过仿真ꎬ分别得到了３种结构在－２０ħ㊁２５ħ㊁７０ħ３个温度点时晶体的温度分布云图ꎬ如７０２电㊀子㊀器㊀件第４２卷图５~图１３所示ꎮ图９㊀结构２在２５ħ时晶体的温度分布云图图５㊀结构１在－２０ħ时晶体的温度分布云图图６㊀结构１在２５ħ时晶体的温度分布云图图７㊀结构１在７０ħ时晶体的温度分布云图图８㊀结构２在－２０ħ时晶体的温度分布云图图１０㊀结构２在７０ħ时晶体的温度分布云图图１１㊀结构３在－２０ħ时晶体的温度分布云图图１２㊀结构３在２５ħ时晶体的温度分布云图图１３㊀结构３在７０ħ时晶体的温度分布云图３.３.２㊀仿真结果分析根据表１的热仿真结果分析ꎬ对比结构１和结构２的仿真结果可以得出ꎬ将恒温槽放在整个ＰＣＢ板的中心位置可以较好地保证晶体温度的稳定ꎮ对比结构１和结构３的仿真结果可以得出ꎬ相比较两个大的加热管ꎬ选择４个小型加热管进行恒温槽的加热可以使得晶体的温度分布更加均匀ꎬ综合以上仿真结果ꎬ本文认为ꎬ采用结构３可以获得更稳定的温度特性ꎮ８０２第１期陈萍萍:基于热仿真的高稳恒温晶振的设计㊀㊀表１㊀热仿真结果分析环境温度/ħ晶体的最大温度差/ħ结构１结构２结构３－２０１.０１１２.２３００.８１６２５０.６４７１.３８８０.４９８７００.２５８０.５５２０.２０３４㊀仿真结果验证为了验证前面仿真结果的正确性ꎬ本文制作出３种结构的ＰＣＢ板ꎬ并选取同一只晶体ꎬ先后进行３种ＰＣＢ板的控温精度测试ꎬ将装配好的晶振置于温箱中ꎬ将温箱设置为－２０ħ~７０ħ缓慢均匀变化ꎬ采集频率ꎬ实验结果如图１４~图１６所示ꎮ图１４㊀结构１晶振－２０ħ~７０ħ的Ｂ模特性曲线图１５㊀结构２晶振－２０ħ~７０ħ的Ｂ模特性曲线图１６㊀结构３晶振－２０ħ~７０ħ的Ｂ模特性曲线由于ＳＣ切晶体的Ｂ模频率特性曲线随温度的变化是单调的ꎬ且倾角是固定的－２５.５ˑ１０－６/ħꎬ即Ｂ模频率与温度是固定的关系ꎬ因此ꎬ当外界温度变化时ꎬ通过测试产品的Ｂ模频率变化ꎬ就可以计算出在该外界温度条件下晶体内部真实的温度变化ꎬ即控温精度ꎬ如表２所示表２㊀３种热结构实测结果结构１结构２结构３Ｂ模频率偏差/Ｈｚ５５１５０２０控温精度/ħ０.１９０.５３０.０７㊀㊀由上可以看出ꎬ实际测试的结果与热仿真的结果趋势保持一致ꎬ结构３具有最好的温度特性ꎬ因此ꎬ本设计最终选择结构３进行高稳恒温晶振的设计ꎬ结合振荡电路和精密控温电路的设计ꎬ最终ꎬ样品的温度稳定性的实际测试结果ɤ１ˑ１０－９ꎬ实测曲线如图１７所示ꎬ该结果再一次验证了热仿真分析的可行性ꎮ图１７㊀样品频率温度特性实测曲线５㊀结论本文通过对３种结构的恒温槽进行热仿真分析ꎬ得出最优结构ꎬ并进行实际的测试验证ꎬ最终设计出频率温度稳定度ɤ１ˑ１０－９的高稳定的恒温晶体振荡器ꎮ从本文设计结果可以得出ꎬ在恒温晶振的设计中运用Ｉｃｅｐａｋ软件进行热仿真ꎬ能有效帮助设计者预知恒温槽内部晶体的热量分布ꎬ减少研发再生产的成本ꎬ提高设计效率ꎮ参考文献:[１]㊀黎荣林ꎬ陈萍萍ꎬ黎敏强ꎬ等.一种高稳定恒温晶振的设计[Ｊ].电子器件ꎬ２０１６ꎬ３９(２)ꎬ３２９－３３３.[２]ＶｉｇＪＲ.ＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＲｅｓｏｎａｔｏｒｓａｎｄＯｓｃｉｌｌａｔｏｒｓｆｏｒＦｒｅｑｕｅｎｃｙＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＴｉｍｉｎｇＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ＡＴｕｔｏｒｉａｌ[Ｏｎｌｉｎｅ].Ａｖａｉｌａｂｌｅ:ｈｔｔｐ://ｗｗｗ.ｉｅｅｅ－ｕｆｆｃ.ｏｒｇ/ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｃｏｎｔｒｏｌ/ｌｅａｒｎｉｎｇ－ｖｉｇ－ｔｕｔ.ａｓｐ. [３]王本兴.微小型恒温晶体振荡器[Ｊ].电讯技术ꎬ１９９１ꎬ３１(６):２８－３４.[４]高益.精密恒温晶体振荡器的设计与研制[Ｄ].武汉:华中科技大学ꎬ２００４:２－１０.[５]陈云ꎬ徐晨.有限元分析软件ＡＮＳＹＳ在多芯片组件热分析中的应用[Ｊ].电子工程师ꎬ２００７ꎬ３３(２):９－１１.[６]毛佳ꎬ程凯ꎬ雷阳ꎬ等.ＡＮＳＹＳＩｃｅｐａｋ及Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ结构热力学仿真分析[Ｍ].北京:化学工业出版社ꎬ２０１５:２.[７]李琴ꎬ刘海东ꎬ朱敏波ꎬ等.热仿真在电子设备结构设计中的应用[Ｊ].电子工艺技术ꎬ２００６ꎬ２７(３):１６５－１６８.[８]王永康.ＡＮＳＹＳＩｃｅｐａｋ电子散热基础教程[Ｍ].北京:国防工业出版社ꎬ２０１５:１.陈萍萍(１９８９－)ꎬ女ꎬ汉族ꎬ山东德州人ꎬ河北博威集成电路有效公司ꎬ工程师ꎬ主要研究方向为频率控制技术ꎬｃｈｅｎｐｉｎｇｐｉｎｇ０ａａ＠１６３.ｃｏｍꎮ９０２。
恒温型水晶振荡器[发明专利]
![恒温型水晶振荡器[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/3197593df02d2af90242a8956bec0975f465a4cc.png)
(10)申请公布号 CN 102035468 A(43)申请公布日 2011.04.27C N 102035468 A*CN102035468A*(21)申请号 201010295424.7(22)申请日 2010.09.272009-229173 2009.10.01 JPH03B 5/32(2006.01)G05D 23/20(2006.01)H03B 5/04(2006.01)(71)申请人日本电波工业株式会社地址日本东京都(72)发明人伊藤学 见留博之 追田武雄(74)专利代理机构北京戈程知识产权代理有限公司 11314代理人程伟王锦阳(54)发明名称恒温型水晶振荡器(57)摘要本发明提供一种能够减缓振荡用元件的温度变化并且获得稳定的振荡频率的恒温型水晶振荡器。
本发明的恒温型水晶振荡器(1)包括：导热板(6)，安装于电路基板(2)的一侧的面上；水晶振子(5)，搭载于导热板(6)所安装的电路基板(2)的面的相反面；热敏电阻(8)，检测与水晶振子(5)一起构成振荡电路的振荡用元件(7)以及水晶振子(5)的温度；加热电阻(9)，将水晶振子(5)加热；以及温度控制元件(10)，与热敏电阻(8)以及加热电阻(9)一起构成温度控制电路，并且至少含有功率晶体管(10a)。
其中，在导热板(6)的外周部，在以水晶振子(5)为中心的点对称的位置，至少形成2个以上在导热板(6)的厚度方向上连通的开放部(12)，在所有的开放部(12)都分别配置一个以上的同数量的功率晶体管(10a)以及加热电阻(9)。
(30)优先权数据(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 4 页1.一种恒温型水晶振荡器，包括：导热板，安装于电路基板的主面；水晶振子，搭载于所述导热板所安装的所述电路基板的面的相反面；温度传感器，搭载于所述电路基板，检测与所述水晶振子一起构成振荡电路的振荡用元件以及所述水晶振子的温度；加热电阻，搭载于所述电路基板，根据所述温度传感器所检测的温度对所述水晶振子进行加热；以及温度控制元件，与所述温度传感器以及所述加热电阻一起构成温度控制电路，并且至少含有搭载于所述电路基板的功率晶体管；所述恒温型水晶振荡器的特征在于，在所述导热板的外周部，在以所述水晶振子为中心的点对称的位置，至少形成2个以上在所述导热板的厚度方向上连通的开放部，在所有所述开放部都分别配置一个以上的同数量的所述功率晶体管以及所述加热电阻。
浅析现代小型超低相噪恒温晶振的设计
浅析现代小型超低相噪恒温晶振的设计摘要晶体振荡器是整机电子设备的核心部件，一定程度上决定了整机的性能，晶振的相位噪声和信号源密切相关，影响设备的性能参数。
本文首先介绍了恒温晶振的理论研究和发展趋势，然后阐述了小型超低相噪恒温晶振的设计，最后通过仿真分析得出测试结果，以供参考。
关键词恒温晶振；发展趋势；设计；仿真分析恒温晶体振荡器简称恒温晶振（OCXO），是利用恒温槽使石英晶体谐振器的温度保持恒定，即使周围温度变化，也能将振荡器输出频率的变化量降至最小。
一般情况下，OCXO是由恒温槽控制电路、振荡器电路构成，以下介绍了一种小型超低相噪恒温晶振的设计，以实现晶振超低相噪指标。
1 恒温晶振的理论研究和发展趋势1.1 理论研究在晶体振荡电路中，二极管、三极管、电阻、电容、电感元件等均会产生噪声，其中三极管的噪声最大，电容和电感元件的噪声较小。
利用放大器加正反馈元件，将其制作成振荡器后，噪声对振荡器信号进行调制，会形成多种噪声模式，例如白噪声调相、白噪声调频、闪变噪声调相、闪变噪声调频。
在常用的晶体振荡电路中，主要分为并联反馈型、串联反馈型两种。
前者晶体谐振器工作在串联、并联谐振频率之间，晶体呈感性，常见如皮尔斯电路、考毕兹电路等；后者将晶体串联在正反馈电路中，晶体谐振器工作在串联谐振频率，晶体呈纯阻性，常见如巴特勒电路[1]。
1.2 发展趋势第一，小型化。
为了满足便携式产品更轻、更薄、更小的要求，恒温晶振在封装上，从原来的裸金属外壳塑料金属变为陶瓷封装，其气体能缩小30-100倍，厚度不足2mm。
第二，高精度。
无补偿式恒温晶振的精度为±25ppm，OCXO在相同温度范围内，频率稳定度在±0.0001-55ppm。
第三，低噪高频。
以GPS通信系统为例，不能出现频率颤抖，OCXO主流产品的相位噪声性能明显改善，晶体振荡器的最高输出频率在200MHz以内。
第四，快速启动、低电流消耗。
低电压工作、低电平驱动，已经成为恒温晶振的发展趋势，电源电压一般在 3.3V，电流损耗不超过2mA。
一种用于温度补偿晶体振荡器的芯片设计
portable electronic products, the requirements for frequency source have been more and
more precise. Quartz crystal oscillator is mainly used as frequency source. But as its
calculated result by matlab was respectively used to explain large signal behavior of MOS
varacor characteristics and to design the start-up circuit. And VCXO with good
华中科技大学 硕士学位论文 一种用于温度补偿晶体振荡器的芯片设计 姓名：肖鹏 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：徐静平
20090525
华中科技大学硕士学位论文
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一种基于门振荡电路的恒温晶振设计
作者：孙晓英
来源：《电子技术与软件工程》2015年第17期
摘要
门电路振荡器是一种新型的振荡器，本文介绍了基于门振荡电路的恒温晶振设计方法，对其电路的组成部分振荡电路、控温电路、稳压电路、放大电路等进行了详细分析，并给出了研制晶振的测试结果，结果表明恒温晶振在体积为36mm×27mm×13mm的情况下，其相位噪声、频率温度稳定性等技术指标达到了预期的研制目标。
【关键词】恒温晶振门振荡电路超低相位噪声高稳定度
1 引言
晶体振荡器是电子装备的核心器件，可广泛应用于雷达、电子对抗、通讯、航天测控等系统中，近年来，各类工程对具有低相位噪声、高稳定性、小体积和良好一致性的晶振提出了批量配套的需求。
对此，本文研制出了一种基于门振荡电路的小型超低相噪恒温晶振（标称频率为10MHz，体积为36mm×27mm×13mm），并对该电路进行了电路设计分析，测试结果表明在小体积条件下可实现晶振超低相噪和高稳定度的研制目标。
2 电路设计
该电路采用了如下设计方案，晶体振荡器原理框图如图1所示。
电路部分主要由稳压电路、频率调节电路、振荡电路、放大电路、整形电路、控温电路六部分组成。
2.1 振荡电路
振荡电路是整个产品的核心，常用的晶体振荡器电路主要有串联反馈型振荡电路和并联反馈型振荡电路。
因并联反馈型振荡电路能够尽量减少杂散电容和分布参数对频率稳定度的影响，电路应用频率范围较宽，频率稳定度较高，故振荡电路采用并联反馈型电容三点式振荡电路方案。
但因传统振荡电路中放大器多采用晶体管，偏置电路相对复杂，且晶体管易受到极间电容影响，在高频振荡时容易对振荡状态带来影响；同时晶体管技术参数易受温度变化影响，也会对振荡电路温度系数带来恶化。
为解决上述一系列问题，采用逻辑非门振荡电路，其交流等效电路如图2所示：
在逻辑非门振荡电路中，逻辑非门起到反相放大器的作用，它将输入的信号相移大约180°后输出；电容C2和电感L1并联组成B模和泛音抑制网络，在10MHz处等效为电容
C2′，晶体谐振器等效为电感，与C1、C2′一起组成π型网络，产生另外180°相移，所以整个环路的相移为360°，从而满足了保持振荡的条件。
反馈电阻RF产生负反馈，将反相器设定在中间补偿区附近，使反相器工作在高增益线性区域。
R12为驱动限流电阻，主要功能是限制反相器输出，从而调整晶体谐振器激励电平。
由于逻辑门电路采用CMOS工艺，相对于晶体三极管，具有更低的闪烁噪声，因此采用该电路结构能实现更低的相位噪声指标；其偏置电路简单，元件数量相对较少，因此适于小体积设计；集成逻辑非门又具有低温漂特点，可以降低振荡电路的温度系数；为了降低相位噪声基底，本设计又选用了多个反相器并联的方式来提高激励电平，进一步降低远端相噪。
综合以上特点，区别于以往的晶体管振荡电路，该电路采用了逻辑非门振荡电路，它可以更好地满足低相噪、小体积、高稳定性等技术要求。
2.2 控温电路
控温电路主要起到维持晶体谐振器和关键器件温度恒定的作用，它直接关系到振荡器的稳定度要求。
为了控制或消除环境温度变化对晶体振荡器输出频率的影响，获取稳定的频率输出，采用了带高精度运放反馈回路的直流连续放大式控温电路，在反馈回路中又采用了由高灵敏度电流检测器组成的电压反馈系统，显著地提高了控温电路的灵敏度和控温精度。
图3给出了该控温电路的示意框图。
在恒温结构设计上，将主振电路、稳压电路、变容二极管及其它温度敏感器件均放置于恒温槽附近，降低与恒温区域的热梯度，进一步提高频率温度稳定性。
2.3 稳压电路设计
电源上的干扰是噪声的重要来源之一，电源上的噪声或纹波将使任何振荡器的相噪性能恶化。
为保证稳压电路的稳定性，稳压电路采用低噪声线性稳压器，其噪声电压可达到
20mVRMS，能有效减少电源电压变化及电源纹波对器件性能造成的影响。
2.4 频率调节电路
频率调节电路是通过改变串联在晶体一端的变容二极管上的电压，来改变变容二极管的电容，从而改变晶体的负载电容，达到改变晶振频率的目的。
为避免压控频率调节输入端电压纹波对晶振噪声性能带来恶化，在压控输入端设计了低通滤波回路。
2.5 放大电路
由于主振电路输出为高阻，易受到负载的影响，因此要通过缓冲器输出。
为实现更好的阻抗匹配，缓冲放大电路也采用了高输入阻抗的逻辑非门作为反相放大电路。
3 研制结果
根据上述电路设计，研制出了基于门振荡电路的10MHz恒温晶振，表1是其主要技术指标设计要求值与实际测试值的对照表。
相位噪声实际测试曲线见图4所示：
从上述的测试结果可看出，研制的基于门振荡电路的恒温晶振实现了超低相位噪声（近端1Hz处达到-110dBc/Hz，而远端100kHz及1MHz处达到-177dBc/Hz）和高频率温度稳定性（达到-10量级）的预期研制目标。
4 结束语
研制的基于门振荡电路的恒温晶振已进行了小批量生产，经用户使用验证后效果很好，该种电路达到的技术指标高、调试量又很少、一致性好，具有可生产性，有很好的应用前景。
参考文献
[1]沈伟慈.高频电路[M].西安：西安电子科技大学出版社，2000.
[2]赵声衡.石英晶体振荡器[M].湖南：湖南大学出版社，1997.
[3]稻叶保，何希才，尤可.振荡电路的设计与应用[M].北京：科学出版社，2004.
作者简介
孙晓英（1978-），女，山东省烟台市人。
2001年于哈尔滨工程大学获学士学位，现为成都天奥电子股份有限公司工程师，从事晶体振荡器的研制工作。
作者单位
成都天奥电子股份有限公司四川省成都市 611731。