高志祥

（南京中電熊貓晶體科技有限公司，江蘇 南京 210038）

0 引言

振蕩器是一種通過振蕩產(chǎn)生信號的元器件，可以看作一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置，能將線路中的直流電源的電能轉(zhuǎn)換成一種固定頻率、幅度和波形的直流信號。這種能量的轉(zhuǎn)換基于石英晶體材料的一種特性，即壓電效應(yīng)。在石英諧振器的2 個(gè)電極之間加一個(gè)固定電場，中間的晶片就會發(fā)生機(jī)械形變；反過來，晶片發(fā)生機(jī)械形變，其電極之間也會產(chǎn)生一定的電場。正是基于這一特性，廠家生產(chǎn)出各式各樣的振蕩器，恒溫晶體振蕩器便是其中一個(gè)分支。

恒溫晶體振蕩器是目前頻率準(zhǔn)確度、頻率穩(wěn)定度最好的振蕩器，其短期穩(wěn)定度、相位噪聲具有非常優(yōu)異的性能，長期穩(wěn)定度也不遜色于普通的原子鐘，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、通信、雷達(dá)和精密儀器儀表等多行業(yè)。隨著技術(shù)的發(fā)展，對頻率器件的高穩(wěn)定度也要求越來越高，給頻率器件廠家?guī)砹诵碌奶魬?zhàn)，同時(shí)也是新的機(jī)遇[1]。

1 理論分析及設(shè)計(jì)方法

1.1 相位噪聲淺析

常說的恒溫晶體振蕩器的短期穩(wěn)定性主要包括相位噪聲、溫度波動以及日老化。日老化主要取決于核心元器件本身的制造工藝。溫度特性主要取決于恒溫槽精密控溫技術(shù)。相位噪聲相對來說復(fù)雜一些。由于電噪聲的存在使晶體振蕩器產(chǎn)生隨機(jī)抖動，因此晶體振蕩器頻率的短期穩(wěn)定主要由電路內(nèi)部電噪聲的強(qiáng)弱決定。根據(jù)噪聲形成機(jī)理的不同，電噪聲可以分為熱噪聲、散彈噪聲、散變噪聲和爆裂噪聲等。其中，熱噪聲和散彈噪聲的機(jī)理早已清楚。爆裂噪聲被認(rèn)為是載流子受半導(dǎo)體結(jié)中的缺陷調(diào)制而產(chǎn)生的并且有了一定的試驗(yàn)依據(jù)。唯有散變噪聲的形成機(jī)理至今沒有定論。然而對振蕩器的研發(fā)者來說，最重要的是各種噪聲的譜密度，散變噪聲具有f-a 形成的譜密度，這一點(diǎn)是明確的[2]。因此設(shè)計(jì)一款低噪聲、高穩(wěn)定的100M晶振，需要先設(shè)計(jì)好其核心的振蕩電路。

1.2 振蕩電路設(shè)計(jì)及器件選型

高穩(wěn)晶體振蕩器可以拆分為4 個(gè)模塊，分別是振蕩線路、信號處理放大、直流穩(wěn)壓電路以及恒溫槽控制電路。作為整個(gè)振蕩器的核心，振蕩電路的每個(gè)特性指標(biāo)會直接影響高穩(wěn)晶振的最終性能。因此振蕩部分選用巴特勒共基串聯(lián)振蕩電路[3]。此外，由于石英諧振器的濾波作用，流入發(fā)射級電流的諧波分量較小，噪聲較低，因此振蕩電路還具有較好的頻譜特性。振蕩電路原理圖如圖1所示。

圖1 振蕩電路原理圖

研制低噪聲晶振，需要先選擇Q值較高的晶體，并使晶體有盡可能高的在線Q值。Q值與晶體的切型有密切關(guān)系，高精密AT 切型和SC 切型的Q值高達(dá)2×106，而高精密的BT 切型的Q值可高達(dá)4×106。因此，如果不考慮其他參數(shù)指標(biāo)，只要求相位噪聲的話，那么BT 切晶體必然是最佳的選擇。SC 切晶體Q值雖然只有BT 切的一半左右，但是SC 切型是一種應(yīng)力補(bǔ)償型晶體，由溫度和溫度梯度變化帶來的頻率變化比AT 切晶體小得多。與SC 切晶體的噪聲和BT 切晶體差不多，有時(shí)甚至更好一些。再綜合晶片厚度與晶體阻抗等因素，最終決定選擇SC 切型5 次泛音晶體進(jìn)行低噪聲、高穩(wěn)定100M 恒溫晶振的研制。

除了高Q值晶體選擇外，低噪聲晶體管是低噪聲振蕩器設(shè)計(jì)中的又一個(gè)重要器件。由晶振相位噪聲計(jì)算公式可知，晶體管應(yīng)具有特征頻率fT高，2GHz~10GHz 為佳，噪聲系數(shù)NF小于3dB 并且越小越好，電流放大倍數(shù)β大于80，但不宜太大?；鶇^(qū)電阻rbb與結(jié)電容CC越小越好。綜上所述，最終選擇NXP 公司的一款低噪聲三極管。

無源器件電感和電容的選擇同樣需要注意。電感在理想狀態(tài)下的阻抗為0，但實(shí)際中不存在阻抗為0 的電感。電感在不同頻率下也有不同的Q值，因此就要在同等尺寸下選擇Q值最大的。電感的溫度特性受不同繞芯材質(zhì)的影響，其溫度特性也有較大區(qū)別。對陶瓷繞線電感同時(shí)具有高Q值、低溫漂的特性要求。電容器件和電感在電路中同樣重要，因此電容器件的溫漂一定要好。那么體積小、溫漂小的MLCC 電容為最佳選擇。

線路板不僅是所有器件的載體，還通過線路連接了各元件。其本身特性也會影響晶振的性能及可靠性。由于恒溫晶振內(nèi)部一直是高溫環(huán)境，因此線路板的Tg值必須要大于150，最好能有170。沉金工藝也是必須具備的，具有良好的導(dǎo)電性才能更好地傳輸頻率信號。工藝上盡量選擇4 層板，內(nèi)層進(jìn)行鋪地處理，以增大加熱面積，保持溫度穩(wěn)定。

1.3 高精密恒溫槽控溫原理及實(shí)現(xiàn)

由晶體諧振器頻率溫度曲線可知，晶體諧振器的頻率隨溫度而變化，溫度的波動會直接影響晶振頻率的穩(wěn)定度。因此，恒溫晶體振蕩器的溫度控制是提升其穩(wěn)定度的重要手段。

高穩(wěn)定晶振的恒溫槽多數(shù)采用的是單層恒溫槽，其優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單，方便安裝調(diào)試。設(shè)置多個(gè)不同位置傳感器進(jìn)行溫度檢測，也能得到不同的溫度特性。穩(wěn)定度一般在10-8量級。其缺點(diǎn)如下：1）電路具有有限的開環(huán)增益。2）恒溫槽內(nèi)溫度并不能較好地穩(wěn)定在固定點(diǎn)。3）輸出頻率穩(wěn)定性和恒溫槽關(guān)系密切。單層恒溫槽控溫系數(shù)G一般在0.05 左右，也即當(dāng)環(huán)境溫度變化100℃，恒溫振蕩器內(nèi)部諧振器溫度變化為5℃。由SC 切晶體的溫度頻率曲線可知，當(dāng)溫度變化為5℃時(shí)，其頻率變化在10-8量級。因此，要得到10-9量級或更高的精度，就需要晶體溫度波動小于1℃，也就意味著控溫系數(shù)要小于0.01。為達(dá)到這一要求，可以采用的辦法包括1）多一層控溫，也即雙恒溫槽結(jié)構(gòu)。2）增加熱源，增大加熱面積，減少溫度波動帶來的頻率變化。3）增加溫度傳感器，使溫度調(diào)節(jié)更靈敏。該設(shè)計(jì)同時(shí)采用第一個(gè)和第三個(gè)方法[4]。

雙恒溫槽結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示，采用多傳感器恒溫槽模式。圖2 中1~4 為加熱功率管，箭頭所示為溫度傳感器。

圖2 雙層恒溫槽結(jié)構(gòu)圖

將晶體諧振器和振蕩電路放入內(nèi)層恒溫槽內(nèi)，放大電路和穩(wěn)壓電路放到外層恒溫槽。外槽溫度設(shè)定低于內(nèi)槽溫度10℃。內(nèi)槽控溫線路采用現(xiàn)有成熟設(shè)計(jì)方案，如圖3 所示。

圖3 直放式恒溫槽電路

直放式控溫電路通過電橋和熱敏電阻結(jié)合的方法來對恒溫槽內(nèi)的溫度進(jìn)行控制，電橋兩端分別接在運(yùn)算放大器的正極和負(fù)極。當(dāng)兩級間的電壓不相等時(shí)，運(yùn)算放大器輸出一定的電壓值，這個(gè)電壓值會使加熱功率管工作在線性放大區(qū)。剛通電時(shí)，負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻具有較大阻值，此時(shí)運(yùn)算放大器的負(fù)極具有較大電壓，導(dǎo)致電橋不平衡。運(yùn)算放大器輸出高電壓，可使功率管具有更大電流來進(jìn)行加熱。隨著恒溫槽溫度的升高，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的阻值會慢慢降低，運(yùn)算放大器的負(fù)端電壓也會慢慢變小，最終和正極電壓一樣。此時(shí)加熱功率管可提供較小的電流給恒溫槽，使其產(chǎn)生的熱量平衡掉散去的熱量，直到恒溫槽達(dá)到設(shè)定的溫度[5]。

溫度傳感器放置在不同位置。將一個(gè)放在內(nèi)槽緊貼諧振器，感知諧振器溫度T1。將2 個(gè)放在外部恒溫槽內(nèi)，感知外界溫度變化T2。通過T1和T2的差值來精確設(shè)定恒溫槽溫度。為精確測量出T1溫度，需要利用SC 切晶體的另外一個(gè)特性，即其振蕩在B 模時(shí)的溫度頻率曲線。SC 切晶體在正常工作過程中振蕩在其C 模。這時(shí)，其頻率溫度曲線呈現(xiàn)平坦“n”狀。當(dāng)溫度達(dá)到拐點(diǎn)時(shí)，頻率最大。

但是SC 切晶體不僅有C 模，在C 模1.09 倍頻率處還有個(gè)B 模，其振蕩信號更強(qiáng)，如果不加以抑制，振蕩器會振蕩在B 模。當(dāng)振蕩器振蕩在B 模時(shí)，其頻率變化ΔF與溫度變化ΔT的關(guān)系式為ΔF/ΔT=-25.5（1×10-6/℃）。利用SC切晶體B模這一特性可以精度測得諧振器在恒溫槽工作過程中的準(zhǔn)確溫度，可滿足對恒溫槽精準(zhǔn)控溫的要求[5]。

1.4 電源電路設(shè)計(jì)

電源引線上的噪聲或紋波會使任何振蕩器的相噪性能惡化。電源電壓的變化將改變射頻電壓限幅條件、諧波成分、電抗負(fù)載和輸出頻率。因此任一低相噪振蕩器都需要極低紋波和低噪聲的電源。

該文設(shè)計(jì)的電源電路使用了LT3042 穩(wěn)壓器，如圖4所示。LT3042 是一種高性能低壓差線性穩(wěn)壓器，擁有具有LTC 特色的超低噪聲和超高電源抑制結(jié)構(gòu)，可為噪聲敏感應(yīng)用供電。LT3042 輸出電源范圍寬（為0V~15V），同時(shí)可提供幾乎恒定的輸出噪聲、電源抑制比、帶寬和負(fù)載調(diào)節(jié)，具有獨(dú)立的編程輸出電壓。

圖4 電源電路設(shè)計(jì)圖

2 測試儀器與測試結(jié)果

產(chǎn)品性能指標(biāo)好壞只能通過儀器測試才能鑒別。這就要求儀器設(shè)備本身具有同等或更高的性能。進(jìn)行頻率精度測量時(shí)，一般頻率計(jì)精度只能達(dá)到10-8級別，好一些的頻率計(jì)內(nèi)置恒溫晶振模塊，精度也只能達(dá)到10-10級別。當(dāng)測試精度需要更高時(shí)，必須配合10-13量級以上的銣原子鐘或銫鐘。

相位噪聲的測試需要選用專業(yè)的相噪儀。不同相噪儀測試的基該方法不同，測量精度也不相同，該文選用目前測試方法為最新的、精度最高的FSWP 相噪儀進(jìn)行測試，其頻率測量為1MHz~26.5GHz，頻偏為0.01Hz~40MHz，測量精度小于1.5dB。內(nèi)置高穩(wěn)源，配合互相關(guān)技術(shù)，底噪-185dBc/Hz 并且可以同時(shí)測試相位噪聲與短期穩(wěn)定度。

通過測試，該文設(shè)計(jì)中的低噪聲高穩(wěn)定性100M 晶振指標(biāo)見表1。

表1 低噪聲高穩(wěn)定性100M 晶振指標(biāo)

3 結(jié)語

該文綜合了市面上不同客戶確立的指標(biāo)，尋找出設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn)，分析、評估了雙層恒溫槽結(jié)構(gòu)、低噪聲振蕩電路以及高Q值諧振器的特點(diǎn)，配以高性能穩(wěn)定的穩(wěn)壓電源，綜合設(shè)計(jì)出該款低噪聲、高穩(wěn)定100M 振蕩器。該產(chǎn)品應(yīng)用于機(jī)載、彈載等項(xiàng)目中后，整機(jī)系統(tǒng)指標(biāo)有顯著提升。