一种低相噪恒温晶体振荡器的研制

一种低相噪恒温晶体振荡器的研制

【摘要】为了满足恒温晶体振荡器小型化的市场需求，应用低噪声电路设计原理和高精密控温技术，研制了一种小体积、低噪声、单层恒温晶体振荡器。产品的性能达到国内先进水平。

【关键词】相位噪声;热敏电阻;恒温晶体振荡器

恒温控制石英晶体振荡器（简称恒温晶振）的频率温度稳定度一般在±0.5ppm ～±0.005ppm的范围。它是各领域的中高端电子设备的频率源，它的技术水平和质量水平决定了电子设备的技术质量水平。

随着科学技术的发展，恒温晶振在民用和军用各领域的中、高端电子设备中获得了广泛应用。同时各领域的中、高端电子设备对其频率源恒温晶振的电性能和可靠性的要求越来越高，功耗和体积要求越来越小，这推动了恒温晶振设计技术的发展。恒温晶振用途不同，技术要求不同，设计也不同。该晶振难点是老化小，相噪低，主要技术指标如下：电源电压：12V，标称频率：10MHz，工作温度：-40～70℃，频率-温度稳定性：±1×10-8，老化率：≤±5×10-10/day，输出幅度：≥9dBm，单边带相位噪声：≤-150dBc/Hz@1kHz≤-160dBc/Hz@10kHz。

1.电路噪声分析

随着无线电技术的飞跃发展，雷达和通讯设备越来越先进，为了准确无误，对其核心元件晶体振荡器指标提出了更高的要求，特别是相位噪声要求更严。因此，国内外的专家在这方面做了大量工作。噪声主要有闪变噪声、白噪声和随机噪声。考虑到闪变过程依赖频率fγ，此处β限制在0>γ>-4，公式（1）给出了实际振荡器的相位噪声功率谱密度的模型为：

Sφ（f）=k-3f-3+k-2f-2+k-1f-1+k0 （1）

式中系数kγ定义不同成分的噪声水平，其值决定单边带相位噪声?（f）=10log[0.5 SΦ（f）]的斜率。γ=0，-1，-2，-3，-4分别表示白噪声调相、闪变噪声调相、白噪声调频、闪变噪声调频和随机游动噪声。随机游动噪声主要与环境条件的影响有关。通常γ值如表1所示。

表1 γ值一览表

噪声类型γN Sφ（f）噪声系数

闪频噪声γ-3 k-3f-3 k-3=2α（f0/2Qe）2

白频噪声γ-2 k-2f-2 k-2=（4FNKT/PS）（f0/2Qe）

闪相噪声γ-1 k-1f-1 k-1=2α

白相噪声γ0 k0 k0=4FNKT/PS

根据公式（1）可画出晶体振荡器相位噪声谱线。如图1所示。

图1 晶体振荡器的相位噪声谱线

另外根据资料放大器单位带宽内的的等效输入噪声为：

En2=4KT（rbb’+Rs）+2eIB（rbb’+Rs）2+2efLIB2 （rbb’2+Rs）/f+2eIc（rbb’+Rs）2（f/fT）2 （2）

In2=2eIB+2efLIB2/f+2eIc（f/fT）2 （3）

由上面分析可看出：降低石英谐振器的电阻，提高晶体的Q值，加大晶体的激励电流，降低工作温度，能改善晶体的噪声影响。从晶体管放大器来考虑，选择fT高。β值大，rbb’小的晶体管可降低晶振的相位噪声。

2.设计方案的确定

根据对该恒温晶振主要技术指标的分析，设计采用单层恒温槽控温结构，电源电压一路直接供给功率管对恒温槽加热，另一路经多次稳压供给振荡电路、缓冲放大电路和控温电路。控温电路采用高精密直流桥式电路，使恒温槽的温度基本保持恒定，以便达到比较稳定的频率输出。设计方案的原理方框图如图2所示：

图2 原理方框图

3.设计实例

振荡电路是恒温晶振最关键的部分，它设计的好坏，直接影响到恒温晶振的频率稳定性、功耗、输出幅度、相位噪声等参数。设计的电路原理图如图3所示。

图3 电路原理图

电路的第一级一方面接成变形的共集电极皮尔斯振荡器，另一方面又接成低Q值的调谐共射放大器。所谓“变形”是指晶体管的集电极并不是真正接地，而是通过一个LC并联谐振电路接地。由于LC并联谐振电路的谐振阻抗很高，使得振荡器难于起振，故通常将一电阻与并联谐振电路并联，以降低其谐振阻抗，电阻值以确保振荡器在各种不利条件下能顺利起振为准，通常在2kΩ以下。

晶体振荡器的噪声，主要出自晶体管的内部，因此，减少晶体管的个数或采用噪声更低的晶体管，就可以进一步减小振荡器的噪声，本振荡器仅用了两个晶体管。

除了减少晶体管的个数外，还采用了一些降噪声措施。例如，振荡级放大器原电阻减小至2kΩ;电源线中增加了多级π式LC和RC去噪声滤波器;振荡级用低噪声稳压器LP2985供电等。

晶体是振荡器的心脏，它的质量好坏直接影响晶振的性能。因此我们选用了3次泛音SC切10MHz TO-8型高精密晶体谐振器，其等效电阻小于80Ω，Q值达到了1000k以上。这种晶体是采用高真空冷压焊封装，老化率特别小，Q值高，相位噪声低，短稳好。

恒温晶振的恒温系统是由恒温槽、控温电路、感温元件和其它辅助装置所组成。控温电路采用热敏电阻电桥、低漂移运算放大器和加热功率管等组成。高精密直流桥式控温电路，使恒温槽的温度基本保持恒定，使频率温度稳定性进入10-9量级。

4.测试结果

研制的恒温晶振经用户使用效果较好，完全满足整机的性能要求。其测试结果列于表2。

5.结束语

本文通过对晶振相位噪声的分析，给出了设计实例，研制出了10MHz低相噪恒温晶振，满足了工程上的应用需求，创造了一定的社会效益和经济效益。希望通过相互交流、相互学习，达到共同提高的目的。

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