蘇 霞 韓艷菊 王 巨 羅夢(mèng)佳 于姍姍 鄭鴻耀

（北京無線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京100039）

1 引 言

隨著無線通信和現(xiàn)代國(guó)防技術(shù)的發(fā)展，晶體振蕩器作為常用的頻率源，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、導(dǎo)航、通信、雷達(dá)以及測(cè)量?jī)x表等電子設(shè)備中，被稱為電子系統(tǒng)的“心臟”。而恒溫晶體振蕩器因其具有頻率溫度穩(wěn)定性好、相位噪聲小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，更是受到中、高端電子設(shè)備的青睞。同時(shí)，整機(jī)設(shè)備的進(jìn)步和發(fā)展也對(duì)恒溫晶振提出了更高的要求，小型化、高頻化、低相噪、高穩(wěn)定、快速啟動(dòng)勢(shì)必將會(huì)成為其今后發(fā)展的方向。

如今，國(guó)內(nèi)對(duì)晶體振蕩器的研究已有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，就目前來看，對(duì)于100MHz小型恒溫晶振，國(guó)內(nèi)大部分產(chǎn)品的指標(biāo)可以達(dá)到短期穩(wěn)定度1E-11/1s的量級(jí)，典型相位噪聲-100dBc/Hz@10Hz、-155dBc/Hz@1kHz、-165dBc/Hz@10kHz，但難以做到同時(shí)具有較好的近端和遠(yuǎn)端相噪。本文所設(shè)計(jì)的晶振在短期穩(wěn)定度上有了進(jìn)一步的提高，可以進(jìn)入5E-12/1s量級(jí)，同時(shí)在相位噪聲上也有一定的提升，并且能較好的兼顧近端和遠(yuǎn)端相噪。

2 設(shè)計(jì)方案

本產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)要求如下：

1）輸出頻率：100MHz

2）輸出功率：≥ 8dBm

3）諧波失真：≤ -30dBc

4）雜波響應(yīng)：≤ -80dBc

5）短期穩(wěn)定度：≤5E-12/s

6）相位噪聲：￡（10Hz）≤ -105dBc/Hz

￡（100Hz）≤ -135dBc/Hz

￡（1kHz）≤ -160dBc/Hz

￡（10kHz）≤ -170dBc/Hz

7）尺寸：25.4mm×25.4mm×12.7mm

從上述指標(biāo)可以看出，該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是體積較小、短期穩(wěn)定度和相位噪聲要求較高，另外，由于元器件排列緊密，工作頻率較高，故各元器件之間以及印制板上的分布電容對(duì)于振蕩電路相位噪聲等性能的影響就顯得尤為突出，因此在元器件選用、布板和電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上都有更多需要考慮的因素。晶振外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 晶振外形尺寸圖Fig.1 Outline dimension of OCXO

2.1 電路結(jié)構(gòu)

恒溫晶振主要組成部分包括振蕩部分和控溫部分，其中振蕩部分又包括主振電路、隔離放大電路、濾波電路等，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of circuits

2.2 關(guān)鍵元器件的選用

恒溫晶振設(shè)計(jì)中，晶體、晶體管、穩(wěn)壓器等器件的選用最為關(guān)鍵。

目前，比較常用的晶體主要有AT切型和SC切型兩種。由于SC切晶體具有開機(jī)特性好、Q值高、老化率低、頻率溫度系數(shù)小、短期穩(wěn)定度好等特性，逐漸成為恒溫晶振最常用的晶體類型。但SC切晶體的頻譜比較復(fù)雜，尤其是它的B模振動(dòng)頻率只比所需的C模振動(dòng)頻率高9.4%，而且其等效串聯(lián)電阻和C模相當(dāng)，有時(shí)甚至比C模電阻還小，因此在使用SC切晶體時(shí)，振蕩電路很容易振到B模振蕩頻率上，故在電路設(shè)計(jì)中需要加入專門的B模抑制網(wǎng)絡(luò)來加以抑制［1］。在本設(shè)計(jì)中，最終選擇SC切5次泛音晶體。

晶體管是電路中重要的有源器件，根據(jù)Leeson相位噪聲公式可知，管子輸出功率高、放大電路噪聲小、電路有載Q值高都有利于晶振相噪的降低，因此在選用晶體管時(shí)應(yīng)選擇噪聲系數(shù)小、截止頻率高、基極電阻小、集電極電容小的管子，同時(shí)，較高的β值也可提高電路的有載Q值。

為保證電路獲得穩(wěn)定的、紋波小的直流電壓，穩(wěn)壓器是必不可少的，然而它引入的噪聲也是不容忽略的。基于本文晶振的低相噪要求，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用低噪聲穩(wěn)壓器［2，3］。

2.3 振蕩電路設(shè)計(jì)

前面已經(jīng)提到，振蕩電路包括主振電路、隔離放大電路、濾波電路等，振蕩電路是恒溫晶振最關(guān)鍵的部分，它設(shè)計(jì)的好壞，直接影響到恒溫晶振的頻率穩(wěn)定性、輸出幅度、相位噪聲等參數(shù)。

2.3.1 主振電路

主振電路的作用是將直流能量轉(zhuǎn)換成所需振蕩頻率的交流能量，是晶體振蕩器的核心。本設(shè)計(jì)的主振電路采用改進(jìn)的Colpitts電路，晶體接在集電極與基極之間，且集電極交流接地［4］。同時(shí)在經(jīng)典電路基礎(chǔ)上做了改進(jìn)：晶體一端不直接接地，通過接入下一級(jí)共基放大電路的輸入端的方式完成接地。其等效電路圖如圖3所示。

圖3 主振等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram of oscillating circuit

圖3中，晶體接地，易于校頻、壓控，具有調(diào)試量小、起振容易、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。且振蕩信號(hào)直接從晶體引出，充分利用了其本身的選頻特性，能夠獲得更好的相位噪聲、短期穩(wěn)定度等性能。

圖3中，B模抑制網(wǎng)絡(luò)為L(zhǎng)C串聯(lián)諧振回路，等效為電容C1'，其回路諧振頻率滿足式（1），用于抑制B模振蕩：

式中：f0——中心振蕩頻率；fB——B模振蕩頻率。

圖3中，電容C2'為L(zhǎng)C并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的等效電容，該并聯(lián)回路諧振頻率滿足式（2），用于抑制低頻泛音：

式中：f0——中心振蕩頻率；f3次泛音——3次泛音振蕩頻率。

由圖3可以看出，這是一個(gè)電容三點(diǎn)式振蕩電路［5］。晶體所在支路等效為電感L，與等效電容C1'、C2'共同構(gòu)成該電容三點(diǎn)式振蕩電路。當(dāng)并聯(lián)諧振回路諧振時(shí)，振蕩電路滿足振蕩的相位平衡條件，可得電路中心振蕩頻率f0為：

式中：C=C1'C2'/(C1'+C2')——并聯(lián)諧振回路總電容值。

電路反饋系數(shù)近似為：

通過合理設(shè)計(jì)等效電容C1'、C2'，使電路獲得較高的等效Q值，利于起振，且能得到較大的輸出電壓幅度。

設(shè)計(jì)中加入中和電感與晶體并聯(lián)，可以提高晶體有載Q值，增強(qiáng)振蕩激勵(lì)，利于起振。變?nèi)荻O管用于調(diào)頻和壓控，將其與電容并聯(lián)后，再串聯(lián)電容（等效為圖3中CL），可在一定程度上改善線性度，還能有效地控制壓控靈敏度。

2.3.2 隔離放大和濾波電路

隔離放大電路是為了進(jìn)一步提高晶振的穩(wěn)定性而設(shè)計(jì)的電路。為了減小負(fù)載變化對(duì)振蕩級(jí)的影響，第一級(jí)隔離放大級(jí)為上一節(jié)提到的共基放大電路，該電路的輸入阻抗很小，且具有非常好的高頻特性，利于低相噪高頻晶振的設(shè)計(jì)。

第二級(jí)放大電路采用共發(fā)射極形式，如圖4所示，該電路具有較大的電壓放大倍數(shù)和適中的輸入輸出阻抗。兩級(jí)放大電路的加入，既可實(shí)現(xiàn)功率的放大，又可減小負(fù)載變化對(duì)晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響，提高了晶振帶負(fù)載能力［6］。

圖4 共射放大電路Fig.4 Common emitter amplifying circuit

本設(shè)計(jì)在兩級(jí)放大電路后端都加入π形濾波網(wǎng)絡(luò)，有利于抑制諧波失真，降低相位噪聲，同時(shí)較好地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

2.3.3 電磁兼容設(shè)計(jì)

小型晶振由于體積較小，產(chǎn)品內(nèi)部信號(hào)更容易相互干擾，且在實(shí)際工作中，所處的電磁環(huán)境都比較復(fù)雜，因此在設(shè)計(jì)和布板布線時(shí)，電磁兼容的影響必須考慮在內(nèi)。

在元器件選擇上，由于表貼元件的寄生參數(shù)遠(yuǎn)小于直插式元件，故在設(shè)計(jì)中，均選用體積小、寄生參數(shù)低的小封裝表貼元件，在大大減小寄生的同時(shí)，又節(jié)省了空間，更利于產(chǎn)品小型化的實(shí)現(xiàn)。

在電路設(shè)計(jì)上，加入濾波電容，防止傳導(dǎo)性電磁干擾串入電路或從電路中泄漏?？紤]傳導(dǎo)、發(fā)射等因素，對(duì)電源線進(jìn)行濾波是抑制干擾最有效的手段。電源在提供能源的同時(shí)，也會(huì)引入噪聲，因此在電路的電源輸入端加入濾波電容，濾除交流噪聲信號(hào)。

在布局布線上，保證信號(hào)線走線盡量短，環(huán)路面積盡量小，利于將輻射發(fā)射出去且降低輻射敏感度；同時(shí)在信號(hào)線間鋪地，避免平行走線，盡量增大間距，增強(qiáng)隔離性，以便減小高頻信號(hào)線間的發(fā)射和耦合；布線采用135°折線，避免出現(xiàn)90°折線。

2.4 控溫電路設(shè)計(jì)

控溫電路與恒溫槽共同構(gòu)成了控溫系統(tǒng)，控溫電路控溫能力的好壞，對(duì)于晶振頻率溫度穩(wěn)定性有直接的影響。本設(shè)計(jì)采用的是基于雙運(yùn)放的直流放大連續(xù)控溫電路，原理圖如圖5所示，包括功率管V1、穩(wěn)壓器V2、高增益運(yùn)放N1和N2及電阻橋式電路。由于產(chǎn)品體積較小，因此將整個(gè)腔體看作恒溫槽，晶體壓在焊于電路板的銅板上，功率管緊靠銅板放置，通過銅板給晶體加熱。經(jīng)合理排布晶體、功率管和熱敏電阻的位置，在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)，提高系統(tǒng)的控溫精度［7］。

圖5 控溫電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of temperature-controlled circuit

對(duì)于運(yùn)放N2，其正負(fù)兩端輸入電壓為：

式中：VN2+——運(yùn)放N2正端輸入電壓，VN2-——運(yùn)放N2負(fù)端輸入電壓，Vcc——電源電壓，Vo——穩(wěn)壓器輸出電壓，VN1out——運(yùn)放N1輸出電壓，I——流過電阻R3的電流，近似為功率管發(fā)射極電流。

由于接通電源瞬間，電流I=0；熱敏電阻阻值較大，其支路提供一個(gè)較高的電壓加到運(yùn)放N1的負(fù)端，此電壓大于正端兩電阻分壓提供的固定電壓，故此時(shí)運(yùn)放N1輸出低電平，即VN1out=0。故式（5）、（6）可簡(jiǎn)化為：

因此，

運(yùn)放N2輸出低電平，功率管V1導(dǎo)通，電流I迅速增大，導(dǎo)致VN2-減小，當(dāng)VN2+=VN2-時(shí)，達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)近似為晶振最大電流。

隨著功率管的不斷加熱，晶振內(nèi)部溫度升高，熱敏電阻阻值減小，運(yùn)放N1負(fù)端電壓減小，當(dāng)負(fù)端電壓降到略低于正端電壓時(shí)，N1輸出電壓VN1out升高，由式（5）知VN2+升高，此時(shí)VN2+＞VN2-，導(dǎo)致運(yùn)放 N2輸出電平升高，即V1b升高，由于V1的b、e端有固定壓差0.7V左右，故V1e抬高，I減小，因此電流開始下降，功率管加熱功率降低。當(dāng)功率管加熱速率與晶振散熱速率相等時(shí)，晶振內(nèi)部維持在一個(gè)恒定的高溫溫度，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。通過調(diào)節(jié)熱敏電阻支路的固定電阻，可以改變恒溫工作溫度，晶振的工作溫度位于晶體溫頻曲線的高溫拐點(diǎn)處，此時(shí)頻率相對(duì)于溫度的變化是最小的，可以獲得較好的頻率溫度穩(wěn)定性。

晶振的最大電流Imax可通過式（10）～（13）確定：

式中：k——運(yùn)放N2放大倍數(shù)。

將式（5）、（6）帶入可得：

由于k很大，故上式右端近似為0，進(jìn)而推出晶振最大電流：

從式（13）可以看出，最大電流可完全由電阻確定，在實(shí)際調(diào)試中，通過調(diào)節(jié)電阻R1和R2的比例，即可調(diào)節(jié)最大電流。因此，該電路的優(yōu)點(diǎn)就在于晶振的最大電流不會(huì)因晶體管β參數(shù)離散而離散，易于調(diào)節(jié)，而且?guī)缀鯚o過沖電流，電流穩(wěn)定迅速，開機(jī)啟動(dòng)快。

運(yùn)放N1的反饋回路接成比例積分式，有利于提高控溫系統(tǒng)的靈敏度，縮短加熱穩(wěn)定時(shí)間，同時(shí)，也將大大減小由于電源電壓抖動(dòng)帶來的頻率變化［8］。

3 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)以上方案，設(shè)計(jì)了100MHz小型恒溫晶振產(chǎn)品，其產(chǎn)品實(shí)物照片如圖6所示。經(jīng)測(cè)試性能指標(biāo)良好，測(cè)試結(jié)果見表1，其相位噪聲測(cè)試曲線如圖7所示。

圖6 產(chǎn)品實(shí)物照片F(xiàn)ig.6 Photo of OCXO

表1 電性能測(cè)試結(jié)果Tab.1 Performance of OCXO

圖7 相位噪聲測(cè)試曲線Fig.7 Phase noise test curve

從表1測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，產(chǎn)品相位噪聲達(dá)到 -140 dBc/Hz@100Hz、-160dBc/Hz@1kHz、-172 dBc/Hz@100kHz；短 期 穩(wěn) 定 度 達(dá) 2.11E-12/1s；在-40℃～70℃的工作溫度范圍內(nèi)，頻率溫度穩(wěn)定性達(dá)到±3.0E-8。所有測(cè)試結(jié)果均滿足指標(biāo)要求，并且一些指標(biāo)仍有一定的裕量。

4 結(jié)束語

本文基于晶體振蕩器的基本理論，針對(duì)高頻晶振設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)經(jīng)典Colpitts電路進(jìn)行改進(jìn)，提高Q值，優(yōu)化B模抑制網(wǎng)絡(luò)，使得調(diào)試方便，且有效地降低了噪聲。控溫部分采用改進(jìn)的直流連續(xù)控溫電路，提高了控溫精度，抑制了電流過沖。在布板上增強(qiáng)信號(hào)線隔離屏蔽，減少線間干擾，提高電磁兼容能力。最終獲得較高的性能指標(biāo)：相位噪聲達(dá)到 -140dBc/Hz@100Hz、-160dBc/Hz@1kHz、-172dBc/Hz@100kHz；短期穩(wěn)定度達(dá) 2.11E-12/1s；頻率負(fù)載允差±2E-9；在-40℃～70℃的工作溫度范圍內(nèi)，頻率溫度穩(wěn)定性達(dá)到±3.0E-8。該產(chǎn)品具有體積小、短期穩(wěn)定度好、相位噪聲低、頻率溫度穩(wěn)定性好、帶負(fù)載能力強(qiáng)及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過小批量試制，成品一致性較好，目前已形成產(chǎn)品，供用戶使用，順應(yīng)了小型化發(fā)展趨勢(shì)，在雷達(dá)、通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和價(jià)值。