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(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

0 引言

在各種石英晶體振蕩器中，恒溫晶體振蕩器(OCXO)是一種頻率穩(wěn)定性最好的高精密晶體振蕩器。廣泛應(yīng)用于通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、精密儀器儀表、測試設(shè)備中[1]。隨著大規(guī)模集成電路及表面貼裝技術(shù)的發(fā)展，精密儀器及通訊導(dǎo)航系統(tǒng)整機(jī)體積越來越小。整機(jī)的小型化對部件提出了越來越高的要求。為了獲得更高的頻率穩(wěn)定度，必須采用高性能晶體諧振器、穩(wěn)定的振蕩電路以及結(jié)構(gòu)完善、高精度的恒溫槽[2]。小型低相噪恒溫晶振成為近年來主要關(guān)注的對象。

根據(jù)市場需要,設(shè)計(jì)了中心頻率40 MHz、溫頻特性≤±2×10-8(-30～+70 ℃)、相位噪聲≤-160 dBc/Hz@1 kHz，體積僅為20 mm ×12 mm ×10 mm的小型低相噪恒溫晶振。

1 電路設(shè)計(jì)

圖1為石英晶體振蕩器電路結(jié)構(gòu)框圖[3]。由于產(chǎn)品要達(dá)到2×10-8的溫頻特性及0.1 ps的抖動(dòng)指標(biāo)，對于電源的處理格外重要，電源處理系統(tǒng)采用低噪聲線性穩(wěn)壓器 (LDO)，保證了電源的溫度穩(wěn)定性，同時(shí)對外部電源的紋波進(jìn)行處理，消除電源噪聲的影響。采用放大及整形電路，同時(shí)在輸出端進(jìn)行阻抗匹配輸出，進(jìn)一步減少后級(jí)對振蕩電路的影響，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定度。

圖1 石英晶體振蕩器結(jié)構(gòu)原理圖

圖2為采用門振蕩電路的原理圖[4]。圖中,180表示相位翻轉(zhuǎn)180°。振蕩電路諧振器選用SC-切40 MHz三次泛音晶體。由于SC-切諧振器具有B、C兩種振動(dòng)模式,C模是具有零溫度系數(shù)的振動(dòng),為所需的理想振動(dòng)模式。在比C模頻率高約10%處有一寄生振動(dòng),稱B模振動(dòng)。因此,B模的抑制是電路設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的問題，該抑制網(wǎng)絡(luò)直接影響到振蕩器高低溫工作的可靠性，電路中,L1、C1用來抑制40 MHz的基頻，L2、C2諧振在40～44 MHz處,抑制晶體B模振蕩,同時(shí)又保證了C模振蕩。電路中晶體工作于略高于串聯(lián)諧振頻率且呈現(xiàn)電感性的區(qū)間，此時(shí)晶體作為三點(diǎn)式振蕩電路中的一個(gè)電感元件。

圖2 晶體振蕩器電路原理圖

2 晶體諧振器設(shè)計(jì)

晶體諧振器是一種基于壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，其等效電路如圖3所示。圖中，C0為靜態(tài)電容，C1為動(dòng)態(tài)電容，L1為動(dòng)態(tài)電感，R1為動(dòng)態(tài)電阻。晶體諧振器自身的品質(zhì)因數(shù)Q值是衡量晶體諧振器性能的重要因素。

圖3 晶體諧振器等效電路圖

晶體諧振器的晶片切型包括AT-切、SC-切、BT-切等。其中較常用、生產(chǎn)較成熟的是AT-切和SC-切晶體諧振器。

SC-切諧振器的顯著特點(diǎn)是其頻率與溫度間有近似的三次函數(shù)關(guān)系，因而它具有零溫度系數(shù)點(diǎn)。與AT-切相比，在零溫度系數(shù)點(diǎn)附近，SC-切晶體諧振器的溫度系數(shù)小1個(gè)數(shù)量級(jí)，且翻轉(zhuǎn)點(diǎn)溫度高，頻率偏差小，高溫區(qū)溫頻系數(shù)小，即SC-切諧振器的溫度穩(wěn)定特性較好，特別適宜作恒溫晶振。另外，由于SC-切諧振器具有應(yīng)力補(bǔ)償和熱瞬變補(bǔ)償，因此，在其他性能上，與AT-切諧振器相比，SC-切諧振器較優(yōu)。SC-切諧振器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 開機(jī)特性好，適用于快速啟動(dòng)。

2) 應(yīng)力效應(yīng)小，老化較小。

3) 幅頻效應(yīng)小，能承受較強(qiáng)的激勵(lì)電平。

4) 短期穩(wěn)定性較好。

5) 頻率溫度系數(shù)小，溫度穩(wěn)定性較高。

另外，SC-切諧振器在抗輻射性能、抗加速度性能和抗高溫性能方面，特性比 AT-切諧振器優(yōu)。目前高穩(wěn)定晶體振蕩器中廣泛應(yīng)用的也是SC-切石英晶體。

本文采用SC-切三次泛音冷壓焊封裝晶體[5]，與基頻模式相比，泛音模式具有較高的體積/表面積比值，這意味著表面質(zhì)量對泛音模式影響較弱，同時(shí)泛音模式具有較高的Q值。但另一方面，泛音模式由于具有較大的電阻，增加了起振難度，且需要更大的晶片尺寸。

晶體諧振器的頻率受溫度影響的關(guān)系為

c0(T-T0)3

(1)

式中：f為頻率標(biāo)稱值；Δfs/f為晶體的溫度系數(shù)，由晶體的切型和角度決定，選擇合適的切角，可得到具有零溫度系數(shù)的晶體。

圖4為SC-切三次泛音40 MHz晶體諧振器的溫頻曲線。圖中，Δf為晶振輸出頻率變化率。T為溫度產(chǎn)品要求工作溫度(-30～+70 ℃)。晶體諧振器的零溫度系數(shù)點(diǎn)需選取在(85±5)℃內(nèi)。

圖4 40 MHz SC-切晶體諧振器溫頻曲線

3 控溫電路設(shè)計(jì)

晶體諧振器的頻率隨溫度而變化，溫度是影響晶體振蕩器穩(wěn)定度最主要的因素，控制和處理溫度是提高晶振穩(wěn)定度的主要手段[2]。為了達(dá)到本項(xiàng)目頻率溫度穩(wěn)定性的要求，需要對振蕩器的控溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的分析和設(shè)計(jì)。在減小體積的情況下保證產(chǎn)品溫頻特性是控溫電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。小體積、高穩(wěn)定晶振產(chǎn)品一般采用諧振器內(nèi)加熱方式或傳統(tǒng)電阻絲加熱方式。綜合考慮工藝實(shí)現(xiàn)難度及成本等因素，本設(shè)計(jì)采用了改進(jìn)后的傳統(tǒng)加熱方式，使用有源負(fù)載取代電阻絲作為加熱源。在充分利用負(fù)載耗散功率的同時(shí)減小了產(chǎn)品的體積。控溫電路原理圖如圖5所示。

圖5 控溫電路原理圖

恒溫控制是指一個(gè)電伺服系統(tǒng)持續(xù)向恒溫槽加熱，通過改變加熱電流來補(bǔ)償環(huán)境溫度的變化。當(dāng)外界溫度降低時(shí)，嵌在恒溫槽中的熱敏電阻RT會(huì)發(fā)生變化引起橋路不平衡，橋路輸出電壓經(jīng)高增益差分放大器放大，驅(qū)動(dòng)功率器件對恒溫槽進(jìn)行加熱，以補(bǔ)償降低的溫度，同理，當(dāng)外界溫度升高時(shí)，橋路輸出電壓減小，恒溫槽加熱電流也相應(yīng)減小，最終達(dá)到熱平衡。

通過精心設(shè)計(jì)的恒溫槽可使晶振的穩(wěn)定度達(dá)到10-8量級(jí)，但由于電路的開環(huán)增益不是無窮大等原因，造成恒溫槽內(nèi)隨外界溫度變化存在溫度波動(dòng)。單層恒溫的熱增益一般為300，因此必然存在溫度的波動(dòng)[6]。恒溫槽變化對晶體溫頻特性的影響如圖6所示[7]。

圖6 恒溫槽對溫頻特性的影響

由圖6可知，恒溫槽隨外界溫度的變化而產(chǎn)生的變化量為ΔT0，在外界溫度不變的情況下，恒溫槽本身還存在溫度的漂移，通常的設(shè)計(jì)為調(diào)節(jié)恒溫設(shè)置點(diǎn)在上拐點(diǎn)附近，以期達(dá)到理想的效果，但由于ΔT0的存在，必然引起振蕩器輸出頻率的變化。在設(shè)計(jì)中，我們選擇控溫點(diǎn)在晶體諧振器頻率隨溫度變化最平坦處的上拐點(diǎn)。

如何評(píng)估恒溫槽的控溫精度一直是困擾恒溫晶振設(shè)計(jì)的難題。由于SC-切晶體諧振器的B模振蕩頻率與溫度近似于線性關(guān)系[7]，可讓產(chǎn)品振蕩在B模，并通過測試B模振蕩頻率，感知晶體內(nèi)部晶片的“真正”溫度。利用晶體B模這一特性可對恒溫晶振的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行精確的評(píng)估。理論上B模曲線近似為線性，斜率約為

(2)

該斜率表示，隨著外界溫度的升高，晶體的頻率逐漸降低，且溫度每變化1 ℃，頻率變化-25.5×10-6，即變化率為-25.5×10-6/℃。

本產(chǎn)品溫度控制選擇了比例積分反饋的連續(xù)式控溫電路，通過比例積分反饋回路對溫度進(jìn)行精確控制，通過調(diào)試控溫電路的放大增益、積分常數(shù)等參數(shù)達(dá)到提高控溫電路的靈敏度、控溫精度及環(huán)境適應(yīng)性的目的[8]。

調(diào)節(jié)控溫電路的積分、微分參數(shù)，使得放大增益較大的情況下仍能較快的保持穩(wěn)定。將恒溫槽的溫度調(diào)至晶體的拐點(diǎn)溫度處，測試其B模曲線的斜率，測試曲線如圖7所示。

圖7 恒溫晶振的B模頻率溫度特性

由圖7可知，在控溫電路的作用下，當(dāng)外界環(huán)境從-30 ℃升溫到+70 ℃時(shí)，晶振輸出頻率變化Δf約為12.2×10-6，由式(2)計(jì)算可知，該產(chǎn)品恒溫槽的控溫精度為

(3)

通過對產(chǎn)品控溫精度的評(píng)估，采用比例積分控溫技術(shù)后，在環(huán)境溫度變化100 ℃時(shí)，晶體諧振器的溫度僅降低0.47 ℃，可滿足產(chǎn)品溫頻特性對控溫精度的要求。

4 測試結(jié)果

經(jīng)實(shí)際測試，設(shè)計(jì)中研制的40 MHz小體積恒溫晶體振蕩器測試指標(biāo)如表1所示。圖8為樣品在 25 ℃～-30 ℃～+70 ℃的頻率波動(dòng)圖。圖9為相位噪聲圖。圖10為產(chǎn)品實(shí)物照片。

表1 40 MHz晶體振蕩器測試指標(biāo)結(jié)果

圖8 樣品25 ℃～-30 ℃～+70 ℃的頻率波動(dòng)

圖9 相位噪聲實(shí)測結(jié)果

圖10 實(shí)物照片

5 結(jié)束語

針對指標(biāo)要求，分析了SC-切晶體諧振器的特點(diǎn)，找出了溫度控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，介紹了恒溫槽控溫精度的評(píng)估方法。設(shè)計(jì)的產(chǎn)品綜合運(yùn)用低噪聲LDO，SC-切晶體諧振器，B模抑制網(wǎng)絡(luò)等設(shè)計(jì)。在減小體積的同時(shí)提高了產(chǎn)品的相位噪聲。經(jīng)實(shí)際測試，產(chǎn)品指標(biāo)完全滿足用戶要求，具有體積小,穩(wěn)定高及相位噪聲低的特點(diǎn)。產(chǎn)品用于通信及雷達(dá)等設(shè)備中，可提高整機(jī)系統(tǒng)指標(biāo)，減小體積和降低功耗。具備很好的應(yīng)用前景和較顯著的經(jīng)濟(jì)效益。