基于小型化超低短稳高稳定度恒温晶振的设计
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2 电路设计
恒温晶振的电路设计分为振荡电路（主振电路）和控温电路 两个部分。
2.1 主振电路的设计 振荡电路的设计有串联晶体振荡器和并联晶体振荡器两种。
并联型晶体谐振器电路是晶体接在反馈网络中，并与电路中其他 电抗元件构成并联谐振回路 ；在串联型晶体电路中，晶体与负载 电容串联，工作时呈纯阻性。为了便于可生产性和调试方便等原 因，本文采用了并联振荡电路的共集柯尔匹兹电路形式，主振电 路图见图 1。
D 专题 IGITCW 技术 Special Technologyห้องสมุดไป่ตู้
基于小型化超低短稳高稳定度恒温晶振的设计
郭 旺
（中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050000）
摘要 ：本文主要介绍了一款 36×27×13mm3 封装的小型化超低秒高稳定的恒温晶振的设计。传统的高稳定度恒温晶振其温度稳定
度和老化特性都能够做到很好，比如温度特性能够达到 ±0.1ppb（40℃ ~85℃），老化特性能够达到 0.1ppb/ 日。但是其短期稳定度（秒
参考文献
[1] 赵声衡、赵英 . 晶体振荡器 . 北京 ：科学出版社，2008. [2] 赵声衡 . 精密恒温槽原理 . 长沙 ：湖南科学技术出版社，1991. [3] LEESON D B.A simple model of feedback oscillator noise spectrum[J].
3 测试结果
由于本文设计的产品短稳已经达到了 5*10e-13 的数量级，普 通设备的测量精度已经无法达到要求。所以建议采用测试精度较 高的测试设备和参考源，如本次实验的测试设备为 5125A，参考 源为高稳定度的 DBV-10M 参考源。经过前期的实验和参数的调 整，测试结果如下图 2 和图 3 ：
图2 短期稳定度测试结果
图1 主振电路
D.B.Leeson 曾经提出的关于反馈振荡器的简单噪声模型与实 际情况具有非常好的符合性，因此被广泛应该于振荡器噪声的分 析中。故当主振电路确定好之后，我们将在以下方面提高老化和 短期稳定度指标 ：
（1）采用高 Q 值的晶体谐振器，并尽快能的来加大主振电路 的有载 Q 值。
Proceedings of the IEEE，1966，54（2）：329-330. [4] 孙莹 . 高稳晶振的秒级频率稳定度的测量 [J]. 航空计测技术，2003，23（4）：
38-39.
稳）很难做到 0.001ppb/s 以内。而本文阐述了同时兼顾温度特性、低老化、低秒稳的恒温晶振的设计思路，其短稳目前最好能够达到
0.0005ppb/s。
关键词 ：超低秒稳 ；小型化 ；双层恒温槽 ；高温度特性 ；低老化 ；恒温晶振
doi ：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2019.08.025
2.2 控温电路的设计 为了能够尽量降低环境温度波动引起的频率稳定度的恶化以
及实现低短稳高稳定度的指标要求，本设计采用了双层恒温槽的 控温方式。内外两层恒温槽控温电路均选用直接放大式连续控温 电路，直接放大式连续控温电路工作于直流状态，受外界干扰小， 电路简单，易于实现小型化设计。双层恒温槽设计的关键是优良 的保温性能和合理的结构形式。优良的保温性能可以降低加热功 耗和稳定功耗，降低环境温度波动对控温精度的影响 ；本设计将 主振电路、晶体谐振器、热敏电阻和加热功率管都放在内层恒温 槽内，这样能够保控温精度。外层控温槽主要控温电路和微处理 器，微处理器用来采集内槽的控温状态以及控制内外槽槽温。
（2）采用低噪声的晶体三极管，设置适当的晶体管偏执电压 和较低的工作电流，如适当调整 R19、R20、R29。
（3）合理选择辅助电路形式和参数，如电源滤波采用二次稳 压及低噪声的稳压器。
通过以上三个方面的设计和参数调试，主振电路部分能够实 现晶振的低老化和超低短期稳定度的要求。
48 DIGITCW 2019.08
中图分类号 ：TN752
文献标示码 ：A
文章编码 ：1672-7274（2019）08-0048-01
1 引言
恒温晶体振荡器是目前频率稳定度和精确度最高的晶体振荡 器。它作为高精密稳定的信号源被应用在各种类型的通信领域中， 如军事领域中的雷达和通信导航、工业领域的测量设备和调制解 调器、汽车领域的传感器和 GPS 应用等。恒温晶振的设计就是 利用高 Q 值、低老化的晶体谐振器和合理的恒温槽布局来达到 低老化、高稳定的指标技术，进而保证其在各类通信系统中的应 用要求。而短稳是恒温晶体振荡器一项非常重要的指标，它的指 标的提高对各类通信系统的最终性能会有很大提升，如超低的短 稳能够降低通信系统中的误码率，在测试设备中能够提高系统的 测试精度。本文所阐述的恒温晶振所能够达到的上述指标有 ：温 度特性 ：<±0.1ppb/-40~+85℃ ；老化特性 ：<±0.1ppb/ 日 ；短稳 ： 0.0005ppb/s。
图3 频率温度特性测试结果
4 结束语
本文主要介绍了一款基于超低短稳和高稳定度恒温晶振的设 计思路，设计过程中通过关键元器件的选型、电路参数的优化、 控温槽的合理布局，以达到低短稳高稳定度的指标要求，最终经 过实验验证了该设计思路的可行性和可量产性，同时做到了小型 化，能够满足市场的需求，具有广阔的市场需求。
恒温晶振的电路设计分为振荡电路（主振电路）和控温电路 两个部分。
2.1 主振电路的设计 振荡电路的设计有串联晶体振荡器和并联晶体振荡器两种。
并联型晶体谐振器电路是晶体接在反馈网络中，并与电路中其他 电抗元件构成并联谐振回路 ；在串联型晶体电路中，晶体与负载 电容串联，工作时呈纯阻性。为了便于可生产性和调试方便等原 因，本文采用了并联振荡电路的共集柯尔匹兹电路形式，主振电 路图见图 1。
D 专题 IGITCW 技术 Special Technologyห้องสมุดไป่ตู้
基于小型化超低短稳高稳定度恒温晶振的设计
郭 旺
（中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050000）
摘要 ：本文主要介绍了一款 36×27×13mm3 封装的小型化超低秒高稳定的恒温晶振的设计。传统的高稳定度恒温晶振其温度稳定
度和老化特性都能够做到很好，比如温度特性能够达到 ±0.1ppb（40℃ ~85℃），老化特性能够达到 0.1ppb/ 日。但是其短期稳定度（秒
参考文献
[1] 赵声衡、赵英 . 晶体振荡器 . 北京 ：科学出版社，2008. [2] 赵声衡 . 精密恒温槽原理 . 长沙 ：湖南科学技术出版社，1991. [3] LEESON D B.A simple model of feedback oscillator noise spectrum[J].
3 测试结果
由于本文设计的产品短稳已经达到了 5*10e-13 的数量级，普 通设备的测量精度已经无法达到要求。所以建议采用测试精度较 高的测试设备和参考源，如本次实验的测试设备为 5125A，参考 源为高稳定度的 DBV-10M 参考源。经过前期的实验和参数的调 整，测试结果如下图 2 和图 3 ：
图2 短期稳定度测试结果
图1 主振电路
D.B.Leeson 曾经提出的关于反馈振荡器的简单噪声模型与实 际情况具有非常好的符合性，因此被广泛应该于振荡器噪声的分 析中。故当主振电路确定好之后，我们将在以下方面提高老化和 短期稳定度指标 ：
（1）采用高 Q 值的晶体谐振器，并尽快能的来加大主振电路 的有载 Q 值。
Proceedings of the IEEE，1966，54（2）：329-330. [4] 孙莹 . 高稳晶振的秒级频率稳定度的测量 [J]. 航空计测技术，2003，23（4）：
38-39.
稳）很难做到 0.001ppb/s 以内。而本文阐述了同时兼顾温度特性、低老化、低秒稳的恒温晶振的设计思路，其短稳目前最好能够达到
0.0005ppb/s。
关键词 ：超低秒稳 ；小型化 ；双层恒温槽 ；高温度特性 ；低老化 ；恒温晶振
doi ：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2019.08.025
2.2 控温电路的设计 为了能够尽量降低环境温度波动引起的频率稳定度的恶化以
及实现低短稳高稳定度的指标要求，本设计采用了双层恒温槽的 控温方式。内外两层恒温槽控温电路均选用直接放大式连续控温 电路，直接放大式连续控温电路工作于直流状态，受外界干扰小， 电路简单，易于实现小型化设计。双层恒温槽设计的关键是优良 的保温性能和合理的结构形式。优良的保温性能可以降低加热功 耗和稳定功耗，降低环境温度波动对控温精度的影响 ；本设计将 主振电路、晶体谐振器、热敏电阻和加热功率管都放在内层恒温 槽内，这样能够保控温精度。外层控温槽主要控温电路和微处理 器，微处理器用来采集内槽的控温状态以及控制内外槽槽温。
（2）采用低噪声的晶体三极管，设置适当的晶体管偏执电压 和较低的工作电流，如适当调整 R19、R20、R29。
（3）合理选择辅助电路形式和参数，如电源滤波采用二次稳 压及低噪声的稳压器。
通过以上三个方面的设计和参数调试，主振电路部分能够实 现晶振的低老化和超低短期稳定度的要求。
48 DIGITCW 2019.08
中图分类号 ：TN752
文献标示码 ：A
文章编码 ：1672-7274（2019）08-0048-01
1 引言
恒温晶体振荡器是目前频率稳定度和精确度最高的晶体振荡 器。它作为高精密稳定的信号源被应用在各种类型的通信领域中， 如军事领域中的雷达和通信导航、工业领域的测量设备和调制解 调器、汽车领域的传感器和 GPS 应用等。恒温晶振的设计就是 利用高 Q 值、低老化的晶体谐振器和合理的恒温槽布局来达到 低老化、高稳定的指标技术，进而保证其在各类通信系统中的应 用要求。而短稳是恒温晶体振荡器一项非常重要的指标，它的指 标的提高对各类通信系统的最终性能会有很大提升，如超低的短 稳能够降低通信系统中的误码率，在测试设备中能够提高系统的 测试精度。本文所阐述的恒温晶振所能够达到的上述指标有 ：温 度特性 ：<±0.1ppb/-40~+85℃ ；老化特性 ：<±0.1ppb/ 日 ；短稳 ： 0.0005ppb/s。
图3 频率温度特性测试结果
4 结束语
本文主要介绍了一款基于超低短稳和高稳定度恒温晶振的设 计思路，设计过程中通过关键元器件的选型、电路参数的优化、 控温槽的合理布局，以达到低短稳高稳定度的指标要求，最终经 过实验验证了该设计思路的可行性和可量产性，同时做到了小型 化，能够满足市场的需求，具有广阔的市场需求。