上海航天電子技術(shù)研究所 王 洋 李思敏

關(guān)于恒溫晶振頻率跳變和低溫不起振問題的研究

上海航天電子技術(shù)研究所 王 洋 李思敏

由于恒溫晶振的頻率穩(wěn)定度最好,頻率精度優(yōu)于10-8且相位噪聲低,因此恒溫晶振在雷達(dá)、航空航天等頻率精度要求非常嚴(yán)格的電路中得到廣泛應(yīng)用.但由于恒溫晶振有控溫電路,而晶體對(duì)溫度較為敏感,加電前期容易出現(xiàn)頻率跳變的問題,這會(huì)導(dǎo)致晶振頻率穩(wěn)定性和精度大大降低,嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致使用恒溫晶振設(shè)計(jì)制作的產(chǎn)品出現(xiàn)失鎖或者誤碼等嚴(yán)重問題;另外低溫下恒溫晶振不起振也是致命的問題,這相當(dāng)于使用恒溫晶振設(shè)計(jì)制作的電路的"心臟停止跳動(dòng)",是嚴(yán)格禁止的.所以有必要對(duì)恒溫晶振的頻率跳變和低溫不起振問題進(jìn)行深入研究.本文從恒溫晶振的內(nèi)部構(gòu)成及工作機(jī)理入手,深入分析了恒溫晶振頻率跳變和低溫不起振的原因,提出了具體的解決辦法,對(duì)于使用恒溫晶振進(jìn)行電路設(shè)計(jì)制作的電路設(shè)計(jì)人員來說,有一定的參考作用.

恒溫晶振;頻率穩(wěn)定性;頻率精度;頻率跳變;低溫不起振

0 引言

石英晶體振蕩器是利用石英晶體諧振器作濾波元件構(gòu)成的振蕩器,其振蕩頻率由石英晶體諧振器決定.與LC諧振回路相比,石英晶體諧振器具有很高的標(biāo)準(zhǔn)性和極高的品質(zhì)因數(shù),因此石英晶體振蕩器具有較高的頻率穩(wěn)定度,采用高精度和穩(wěn)頻措施后,石英晶體振蕩器可以達(dá)到10-6~10-9的頻率穩(wěn)定度[1].本文所涉及的為串聯(lián)型恒溫晶體振蕩器,對(duì)此類恒溫晶振中出現(xiàn)的頻率跳變和低溫下不起振的問題進(jìn)行分析和研究.

1 恒溫晶振的介紹

1.1 恒溫晶振的基本特點(diǎn)

振蕩器是自動(dòng)地將直流能量轉(zhuǎn)換為具有一定波形參數(shù)的交流振蕩信號(hào)的裝置.和放大器一樣,它也是一種能量轉(zhuǎn)換器.它與放大器的區(qū)別是不需要外加信號(hào)的激勵(lì),其輸出信號(hào)的頻率、幅度和波形僅僅由電路本身的參數(shù)決定[2].

電路原理方框圖如圖1所示:

圖1 恒溫晶體振蕩器的原理框圖

本文所討論的恒溫晶振屬于串聯(lián)諧振型晶體振蕩器,即電容三點(diǎn)式反饋振蕩器,只是反饋信號(hào)要經(jīng)過晶體后才能送到發(fā)射極和基極之間.石英晶體在串聯(lián)諧振時(shí),阻抗接近于零,此時(shí)正反饋?zhàn)顝?qiáng),滿足振蕩條件.偏離串聯(lián)諧振頻率,阻抗變大,正反饋減弱,不滿足振蕩條件.因此這種電路的振蕩頻率和頻率穩(wěn)定度都取決于石英晶體的串聯(lián)諧振頻率.

恒溫晶振最突出的特點(diǎn)就是控溫電路,圖1中點(diǎn)畫線框內(nèi)表示一恒溫槽,它是一絕熱的小容器,晶體安放在此槽內(nèi).恒溫的原理為:槽內(nèi)的熱敏電阻作為電橋的一臂,當(dāng)溫度等于晶體的拐點(diǎn)溫度時(shí),電橋輸出直流電壓經(jīng)放大后,對(duì)加熱電阻絲加熱,以維持平衡溫度;當(dāng)環(huán)境溫度變化,從而使槽溫偏離原來溫度時(shí),通過熱敏電阻的變化改變加熱電阻的電流,從而減少槽溫的變化.圖中的自動(dòng)增益控制功能(AGC)起到振幅穩(wěn)定的作用,同時(shí),由于振蕩器振幅穩(wěn)定,晶體的激勵(lì)電平不變,也使得晶體的頻率穩(wěn)定.恒溫晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度可達(dá)到10-7~10-9.穩(wěn)定度雖高,但存在著電路復(fù)雜、體積大、重量重等缺點(diǎn),應(yīng)用上受到一定限制[1].

晶體在其溫度拐點(diǎn)處頻率穩(wěn)定性最好,其溫度拐點(diǎn)根據(jù)每個(gè)晶體的特性而各不同,把加熱槽的溫度通過熱敏電阻控制在晶體的溫度拐點(diǎn)處,從而使得晶振輸出頻率具有最佳的穩(wěn)定性.

1.2 晶體振蕩器的工作特性

本文所討論的恒溫晶振的振蕩部分的電原理圖如圖2所示.這是一個(gè)典型的電容三點(diǎn)式晶體振蕩器(又稱為考畢茲電路),根據(jù)"射同余異"的判別原則,晶體與L2*并聯(lián)在振蕩頻率處相當(dāng)于一個(gè)高Q值且阻抗非常低的電感, C8*、C9*是回路電容,L1*是回路電感,L2*是與晶體并聯(lián)的可調(diào)電感,用以消除晶體的寄生振蕩,C7*作為晶體的負(fù)載電容,可使晶振頻率改變幾KHz,用以調(diào)整輸出頻率公差.在其交流等效電路中,L1*與C8*、C9*共同構(gòu)成外圍的LC并聯(lián)諧振回路.下面簡單介紹一下晶體的等效電路.

圖2 恒溫晶振振蕩電路部分

如圖3、圖4所示,晶體等效電路有三個(gè)電抗元件,故有兩個(gè)頻率,一個(gè)串聯(lián)諧振頻率ωs,一個(gè)并聯(lián)諧振頻率ωp;一般地,C為10-2pF,C0遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于C,為若干pF,且有如下關(guān)系:

AB兩端的阻抗公式及電抗特性如下:

圖3 晶體等效電路

圖4 晶體的電抗特性

如圖2、圖3所示,在反饋支路中,通過晶體的信號(hào)除了通過L、C、R外,還可通過C0產(chǎn)生寄生振蕩,因此在晶體兩端并上一可調(diào)電感L2*,使之與C0并聯(lián)諧振,這樣在串聯(lián)諧振頻率ωs(即Z=0)處使電阻R4上得到最大反饋電壓,從而產(chǎn)生晶體振蕩.對(duì)于其他并聯(lián)諧振頻率處,反饋支路的阻抗均等于∞,使得R4上的反饋電壓最小而不起振,從而保證晶體穩(wěn)定工作在晶體的串聯(lián)諧振頻率處.

2 關(guān)于恒溫晶振的問題分析及解決方案

2.1 頻率跳變問題及解決

在調(diào)試某恒溫晶振電路中(見圖1),采用頻率采集設(shè)備對(duì)輸出頻率進(jìn)行采集,并觀測(cè)其頻率波動(dòng),發(fā)現(xiàn)加電1min左右出現(xiàn)頻率跳變,有1050Hz左右的跳變幅度,經(jīng)過13倍頻器后,會(huì)產(chǎn)生13.65KHz左右的載波頻偏,使單機(jī)的載波性能產(chǎn)生較大的影響,可能導(dǎo)致載波短時(shí)間失鎖,傳輸數(shù)據(jù)誤碼率將不能保證,產(chǎn)品質(zhì)量也隨之出現(xiàn)問題.

針對(duì)上面的問題,有兩個(gè)解決方案:

圖5是反映晶振回路LC并聯(lián)諧振的阻抗特性曲線圖,其中ω0為LC并聯(lián)諧振的角頻率,f0為諧振頻率,R0為諧振電阻,B為LC并聯(lián)諧振回路的3dB帶寬.

圖5 LC并聯(lián)諧振阻抗特性

(1)減小L1*兩端的電阻R3*,從而有效降低LC并聯(lián)諧振回路的Q值(見公式(2)),使得阻抗特性曲線變得平緩一些,也使得晶體本身的串聯(lián)諧振頻率落在LC并聯(lián)諧振回路的B之內(nèi),最好是串聯(lián)諧振頻率恰好等于LC并聯(lián)諧振頻率,這樣當(dāng)晶體的負(fù)載阻抗變化或溫度的變化引起輸出頻率漂移時(shí),晶體本身的諧振頻率依然可以和LC并聯(lián)諧振頻率保持一致,頻率輸出不會(huì)出現(xiàn)跳變,否則,若R3*偏大,則LC并聯(lián)諧振回路的Q值增大,阻抗特性曲線會(huì)變得比較尖銳,一旦晶體溫度變化或負(fù)載阻抗變化時(shí),晶體頻率就會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng),晶體自身的串聯(lián)諧振頻率可能會(huì)跳出LC并聯(lián)諧振回路的3dB帶寬之外,使晶體串聯(lián)諧振頻率跳變到LC并聯(lián)諧振回路的振蕩頻率處,這樣晶振輸出頻率會(huì)出現(xiàn)跳變.基于此,適當(dāng)降低R3*的值,會(huì)使晶振頻率跳變問題得到解決.

若忽略L1*本身的阻抗,則L1*與電阻R3*并聯(lián)后的Q值如下:

(2)從調(diào)試的方法入手,頻率跳變問題也能得到解決.具體調(diào)試方法步驟如下:

①先將晶體短路,調(diào)節(jié)L1*(大范圍調(diào)節(jié)可改變?nèi)?shù),小范圍可調(diào)磁芯)使振蕩頻率落到晶體串聯(lián)諧振頻率附近;

③此時(shí)再調(diào)節(jié)L1*的磁芯,晶振輸出頻率變化較小,若是變動(dòng)較大,則說明電路中依然存在寄生振蕩,這時(shí)需調(diào)節(jié)與晶體并聯(lián)的L2*,直至寄生振蕩消除,最后再調(diào)整L1*的磁芯,晶振輸出頻率變化不大,則調(diào)試完畢.

按照上面3個(gè)步驟調(diào)試的晶振,使晶體本身的串聯(lián)諧振頻率和LC并聯(lián)諧振頻率接近或一致,則輸出頻率比較穩(wěn)定,準(zhǔn)確性高,可以解決出現(xiàn)頻率跳變的問題.

2.2 恒溫晶振低溫不起振問題及解決

在某單機(jī)的調(diào)試階段,常溫下晶振工作正常且能滿足產(chǎn)品性能的指標(biāo)要求,但在高低溫循環(huán)試驗(yàn)過程中,發(fā)現(xiàn)低溫時(shí)頻譜儀觀測(cè)不到輸出頻譜,經(jīng)一一排查發(fā)現(xiàn)晶振模塊觀測(cè)不到輸出信號(hào),嚴(yán)重影響了單機(jī)的質(zhì)量和任務(wù)的進(jìn)度.對(duì)于此現(xiàn)象分析示意如圖6所示[4].

圖6 低溫下停振的故障樹

(1)器件故障

利用萬用表通過對(duì)電路晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)試可以確定晶體管是否損壞,將測(cè)試數(shù)據(jù)與以前測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),數(shù)據(jù)正常,排除了晶體管損壞的可能;在焊錫時(shí),當(dāng)錫絲透過線路板上小孔滲過,導(dǎo)致引腳跟外殼連接在一起,或者兩條引腳的焊錫點(diǎn)相連都會(huì)造成短路,引起停振,觀察發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)飽滿沒有虛焊或漏焊現(xiàn)象,引腳未發(fā)現(xiàn)氧化或鍍層脫落.

(2)外圍電路故障

如果供電電路開路或短路,單元將無法正常供電,晶振模塊將沒有信號(hào)輸出,此時(shí)對(duì)電路電源模塊進(jìn)行靜態(tài)阻抗測(cè)試,確認(rèn)該模塊供電沒有開路或短路現(xiàn)象,供電電壓和電流與以前調(diào)試記錄比對(duì)一致性好,故此項(xiàng)可以排除;再將晶振放入溫箱進(jìn)行高溫試驗(yàn),保溫發(fā)現(xiàn)仍然不能起振,排除是PCB板受潮的影響;因?yàn)榫д竦妮敵瞿芰τ邢?僅僅輸出以毫瓦為單位的電能量,在放大電路中,通過放大器將這個(gè)信號(hào)放大幾百倍甚至上千倍才能正常使用.而晶振和放大電路的走線越長,接收到的信號(hào)就越強(qiáng),產(chǎn)生的電能量就越強(qiáng),直到接收到的電信號(hào)強(qiáng)度超過或接近晶振產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度時(shí),放大電路輸出的不再是固定頻率的波形了,而是亂七八糟的信號(hào),導(dǎo)致數(shù)字電路無法工作而產(chǎn)生停振現(xiàn)象.所以要保證引腳質(zhì)量,觀察引腳走線正常.

(3)振蕩器電路故障

低溫下不起振問題源于低溫下晶振不滿足起振條件,具體為振蕩反饋系數(shù)在低溫下偏低或者使環(huán)路增益偏小造成的.反饋系數(shù)的大小一般取0.2~0.5;起振時(shí)環(huán)路增益一般取3~5.解決此問題一般從這兩個(gè)方面重點(diǎn)考慮.

圖7 反饋式振蕩器組成框圖

反饋式振蕩器有兩部分組成:放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)[3],如圖7所示.

反饋系數(shù)為:

晶振起振條件表示為:

如圖2所示,此晶振的反饋系數(shù)如下式:

從式(7)可以看出,低溫不起振有可能是反饋系數(shù)偏小引起,反饋系數(shù)偏小,會(huì)使得反饋量減小,即振蕩管的輸入信號(hào)偏弱,低溫下,電容值會(huì)發(fā)生微小改變,使得比值降低,所以適當(dāng)增加或減小都可以有效提高反饋系數(shù),從而低溫下晶振容易起振,問題得以解決.

如圖2所示,此晶振電路屬于共基組態(tài)振蕩電路,電流增益約等于1,而電壓增益,gm為晶體管的跨導(dǎo),當(dāng)晶體管選型后,可認(rèn)為其是一固定值,如果負(fù)載電阻RL過小,放大器的電壓增益就偏低,環(huán)路增益也就較小,起振幅度不滿足起振條件,晶振在低溫下可能停振.所以在共基組態(tài)放大器后面緊接一個(gè)共集放大器,從而有效提高振蕩三極管的電壓增益,使其在低溫下更易起振.因?yàn)楣布糯笃鬏斎胱杩馆^大,而輸出阻抗較小,這相當(dāng)于振蕩三極管的負(fù)載阻抗RL較大,增益也較大;另一方面共集放大器對(duì)輸入輸出之間起著隔離緩沖的作用,使輸入輸出的相互影響減弱,在共基組態(tài)振蕩三極管的后面緊跟著一個(gè)共集放大器,會(huì)有效提高環(huán)路增益,能有效避免低溫不起振問題的發(fā)生.

3 結(jié)束語

本文對(duì)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備中廣泛使用的恒溫晶振進(jìn)行了分析,尤其是可能會(huì)出現(xiàn)的頻率跳變和低溫停振的問題進(jìn)行了研究,并提出相應(yīng)的解決方法,便于再碰到類似問題能夠精準(zhǔn)定位、快速解決.

(1)振蕩電路主要有兩種誤差來源,第一是石英晶振元件本身存在不同的精度;第二就是其本身的溫度特性,也就是頻率隨溫度變化會(huì)產(chǎn)生偏差的現(xiàn)象,本文對(duì)頻率跳變的問題采用減小并聯(lián)諧振電路的Q值或者改善調(diào)試方法入手來加以解決.

(2)晶振起振后因?yàn)橥饨绛h(huán)境因素的變化導(dǎo)致停振,本文討論的是周圍外加振蕩電路不匹配的問題,從適當(dāng)增大反饋系數(shù)或者適當(dāng)提高環(huán)路增益的角度來分析.

本文主要討論調(diào)試工作中常見的恒溫晶振頻率突跳和低溫不起振的問題,對(duì)于以后的工作實(shí)踐中如何避免此類問題具有重要的指導(dǎo)意義.

[1]曾興雯,劉乃安,陳健,付衛(wèi)紅編.高頻電子線路(第二版)[M].高等教育出版社,2009-11:155-160.

[2]高吉祥主編.高頻電子線路(第二版)[M].電子工業(yè)出版社,2009-07:141,169-171.

[3]張義芳編著.高頻電子線路(第四版)[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2009-07:102.

[4]范義平.一種振蕩器停振的原因分析及解決方法[J].電訊技術(shù),2008-02-15:102.

王洋(1984-),碩士,上海航天電子技術(shù)研究所工程師,主要從事宇航產(chǎn)品調(diào)試.

李思敏(1991-),大學(xué)本科,上海航天電子技術(shù)研究所助理工程師,主要從事宇航產(chǎn)品調(diào)試.