一种高稳定恒温晶振的设计

黎荣林，陈萍萍，黎敏强，王雪艳

（河北博威集成电路有限公司，石家庄050051）

一种高稳定恒温晶振的设计

黎荣林，陈萍萍，黎敏强，王雪艳

（河北博威集成电路有限公司，石家庄050051）

为了满足对晶体振荡器频率稳定度的较高要求，设计了一种标频为10 MHz的高稳定低相噪恒温晶体振荡器。通过分析晶体振荡器的短期稳定度，总结出改善短期稳定度的措施，并根据分析结果进行实际振荡电路的设计，然后借助ADS谐波平衡仿真工具，通过对电路参数的不断优化，最终得到理想的相位噪声仿真曲线并根据优化的最终参数指导设计出实际样品，测试结果表明，频偏在1 Hz处的相位噪声为-108 dBc/Hz，其1 s处的阿伦方差可达1.1×10-12，具有很高的稳定性。

恒温晶体振荡器；短期稳定度；谐波平衡仿真；阿伦方差；相位噪声

晶振是时频检测与控制领域中最常用的基础元件，通常用于提供精密频率标准和时间基准。短期频率稳定度是影响晶振性能最重要的参数之一，因此，研究如何提高晶体振荡器的短期频率稳定度具有十分重要的意义［1］。已知，短期频率稳定度在时域和频域内的表征分别是阿伦方差和相位噪声，由于阿伦方差难于计算且不易仿真，因此本文选择在时域内分析，频域内仿真，最终设计了一种标频为10 MHz的恒温晶体振荡器，经实际测试，它的相位噪声和短期稳定度都达到了较高的指标，可以作为稳定的频率信号源。

1　短期频率稳定度分析

短期频率稳定度是指由噪声引起的振荡频率的变化，要想得到较高的短期频率稳定度，就要设法将电路中的噪声降至最低。为了预测晶体振荡器的相位噪声，我们参考了很多数学模型［2-4］，其中Leeson模型简单有效，因此，本节主要基于该模型进行分析。已知Leeson模型中相位噪声的表达式：

由式（1）我们可以直观的看到，选择高Q值的晶体可以降低系统的相位噪声。为了方便分析，我们假定放大器内只存在闪变噪声和白噪声，对于放大器中信号噪声功率谱密度，通常将其表示为：

将式（2）代入式（1）得输出信号的相位噪声谱为：

其中，f0为载波频率，fm为偏离载波频率，F为噪声系数，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，Psi为输入信号功率，QL为有载品质因数。

将式（3）写成如下幂级数形式：

根据时域与频域的转换关系得［5］：

上式即为阿伦方差的表达式，将各噪声参数代入式（5），整理得：

印尼语言教育的有关法律规定印尼语是各教学单位的教学用语，小学三年级以下可以适当使用该地方的地方语，而外语只能在该外语课程教学中使用。确切地说，印尼语既是课程语言又是语言课程，而华语只是各教育阶段的语言课程，并仅为华语课程的课程语言。

式中，fh为测试系统带宽。

由式（6）我们可以得出，各类噪声对短稳的影响

的估算公式分别为：

接下来我们进行短稳特性的估算［6］。取10 MHz的高稳晶振，给定不同的参数后，由式（7）～式（10）估算出其1 s处的短稳数据，如表1所示。通过观察短稳变化的趋势，我们可以找出影响秒级短稳特性的主要因素。

表1　各类噪声对秒级短稳的影响

由表1数据可以看出，对1 s处短期频率稳定度影响最大的噪声是闪频噪声，已知在晶体管发射极串联一个负反馈电阻，可以降低系统的闪变噪声，因此，可以选择增加负反馈电阻的方式来改善秒级稳定度。又由于闪变噪声电平大致与Q值成反比，因此，可以选择高Q值的晶体来改善秒级稳定度。从表中数据，我们还可以看出，当晶体管集电极电流减小时，秒级短稳得到改善，因此可以从降低振荡管集电极电流的角度来改善秒级短稳，但从电路设计的角度，集电极电流不能过低，否则会影响振荡器起振。

另外，由实际测试经验可知，当晶体的激励增大时，秒级短稳恶化，我们以同样的方法估算晶体振荡器的毫秒级稳定度之后得出，当晶体的激励增大时，毫秒级短稳可以得到改善，即晶体激励电流同时影响秒级短稳和毫秒级短稳，但方向相反。在频域内表现为，电路的激励提高以后，相位噪声近旁恶化，远端得到改善。由于表中数据是用同一个晶振的参数进行估算的，因此，我们无法从有载品质因数的角度进行解释。而如果认为是电路激励提高以后，由于非线性效应使得噪声系数F增加导致的，那么相位噪声随激励的变化应该是近旁与远端同步恶化，而不仅仅是近旁恶化，所以，我们也无法从Leeson模型中噪声系数F的角度进行解释。因此，对此现象的合理解释只能是晶体谐振器的幅频效应［7-9］。已知，晶体电流与振荡频率之间存在如下关系：

式中，D为电流常数，iq为晶体电流。当激励电流变化时，我们可以得到频率的变化为：

由上式可知，晶体电流的变化直接影响频率的变化，因此，保证晶体电流的恒定可以很好的改善晶体的短期稳定度。

综上理论分析可得，可以采用如下方法来改善系统的短期频率稳定度：

（1）选择高Q值的晶体；

（2）在振荡晶体管射级增加负反馈电阻，从降低闪变噪声的角度改善其短稳特性；

（3）在保证晶体起振的条件下，尽量降低晶体管集电极电流；

（4）合理设置晶体的激励电平，并设法提高晶体激励电平的稳定度。

2　振荡电路的设计

振荡电路主要由主振电路、缓冲放大电路和滤波电路组成，其电路的稳定性、噪声抑制能力是恒温晶振设计的一大技术关键［10］。考虑到晶体的幅频效应，我们初步选择SC切型的晶体，又由于高Q值是保证晶体振荡器有高频率稳定度的根本条件，最终我们选择了公司自己生产的SC切3次泛音晶体，该类型的晶体不仅具有比较小的幅频效应，还具有应力补偿和热瞬变补偿两个优势，和其它切型的晶体相比，具有很好的频率温度特性［11］。我们在实际的电路设计中进行了电源稳压设计和控温电路设计，最大限度地提高了电平控制电路的稳定性，使晶体电流保持恒定。本设计中，晶体Q值约为900 K，集电极电流约为1 mA。控温电路采用热敏电阻电桥式温度控制电路，通过连续自动补偿恒温槽耗损的热量来保证恒温槽温度的恒定。电源部分采用传统的低噪声稳压电路，进行了二级稳压处理，本文为了叙述简洁，只给出了振荡电路的原理示意图，如图1所示。

图1中，主振电路采用并联结构的柯尔匹兹振荡电路，主要由Q1、C1、C2、X1组成，其中X1选择本公司自己生产的SC切三次泛音晶体HC-43U，其等效电阻小于100 Ω，频差小于3×10-6，品质因数Q大于900 K，拐点温度在78.1℃～92.0℃之间。晶体管选用NEC公司的2SC3356低噪声管，其主要技术指标为：截止频率fT为7 GHz，噪声系数F值为1.1 dB，增益GF为14 dB。电路中C3主要起调频作用，以校准标称频率。晶体管射级接入负反馈电阻R5，合理设置该电阻可以有效地减少晶体管的闪变噪声，从而改善输出信号近端的相噪特性。电阻R4的作用是抑制静态工作点的温度漂移，减少因电源电压、环境温度的变化所引起的晶体管电流的变化，维持晶体电流的恒定。

图1　10MHz晶体振荡器振荡电路原理示意图

在主振电路后经过电容耦合，设计了一级基本共射放大电路，通过合理设置偏置，使其工作在线性状态，保证了晶体振荡器输出信号的功率，同时又起到了隔离作用，阻碍了负载对振荡电路的牵引。为了消除放大电路放大的杂波影响，考虑到单调谐放大器的带宽，在放大电路后设计了一个二级LC窄带滤波电路，在保证输出信号功率的同时，提高了输出信号的频谱纯度。

3　振荡电路的ADS仿真

在设计时，借助仿真工具，不仅可以预测电路的性能，还能减少实际调试环节，大幅度缩短产品研发周期，从而提高设计效率。

在利用ADS仿真晶体振荡器时，首先要确定晶体是否起振，已知反馈型振荡器起振条件是增益大于1，相位等于0。因此，我们可以利用S11参数判断，利用OscTest仿真得到如下S11圆图。

由图2可以看出，该振荡电路存在起振点。确定电路正常起振后，我们接下来进行相位噪声的仿真。采用谐波平衡仿真的方法［12-13］，利用OscPort对晶振电路进行相位噪声的仿真，将输出端标记为Vout，根据前面对短期稳定度影响因素的分析，初步设置电路参数，运行仿真后，再根据仿真结果微调电路参数，直到达到理想的结果后保存，最终我们仿真得到如图3所示的相位噪声曲线，图4和图5分别是仿真得到的输出信号的波形图和频谱图。

图2　起振点的S11圆图

图3　相位噪声仿真曲线

图4　输出信号的波形图

图5　输出信号的频谱图

由仿真结果可以看出，该振荡电路可以正常起振，并且具有很低的相位噪声，可以用来指导实际电路的设计。

4　测试结果分析

根据仿真得到的电路参数，我们最终制作出10 MHz恒温晶振的样品，体积为36 mm×27 mm×16 mm，如图6所示。

图6　实物图片

4.1相位噪声测试结果

制作出样品以后，通过使用Agilent 5052B信号源分析仪对该样品进行实际测试，我们得到图7所示测试结果。

图7　相位噪声实测曲线

由实际测试结果可以看出，该晶体振荡器的相位噪声为-108 dBc/Hz@1 Hz，-126 dBc/Hz@10 Hz，-145dBc/Hz@100 Hz，-153 dBc/Hz@1 kHz，-155 dBc/Hz@10 kHz，与仿真结果几乎一致。该指标在晶振领域内达到了比较高的相位噪声水平。

4.2阿伦方差测试结果

由实际阿伦方差测试曲线可以看出，该晶体振荡器在1 s处的短期稳定度可以达到1.1×10-12，具有很好的频率稳定特性，可以作为稳定的频率信号源广泛应用于对频率稳定度要求较高的场合。

图8　阿伦方差实测曲线

5　结论

从本文设计结果可以得出，通过合理设置振荡晶体管的集电极电流和晶体的激励电流，保证晶体电流的恒定，并在电路设计过程中尽可能的降低晶体管的闪变噪声，可以很好的改善晶体振荡器的短期频率稳定度。

［1］谭峰，黄显核，黎敏强，等.基于Leeson模型的晶体振荡器相位噪声的研究［J］.电子器件，2005，28（4）：756-759.

［2］Driscoll M M.Modeling Phase Noise in Multifunction Subassem-Blies［J］.IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control，2012，59 （3）：373-381.

［3］Leeson D B.A Simple Model of Feedback Oscillator Noises Spec-Trum［J］.Proc IEEE，1966，54（2）：329-330.

［4］Poddar A K，Rohde U L，Apte A M.How Low Can They Go？Os⁃cillator Phase Noise Model，Theoretical，Experimental Validation，and Phase Noise Measurements［J］.IEEE Microw Mag，2013，14 （6）：50-72.

［5］赵声衡，赵英.晶体振荡器［M］.北京：科学出版社，2008：70-86.

［6］赵声衡.石英晶体振荡器［M］.长沙：湖南大学出版社，1997：270-276.

［7］Rubiola E，Giordano V.On the 1/F Frequency Noise in Ultra-Sta⁃ble Quartz Oscillators［J］.IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control，2007，54（1）：15-22.

［8］Besson R J，Boy J J，Mourey M，et al.Phase Noise Limitation Due To Amplitude Frequency Effects In State-Of-The-Art Quartz Oscil⁃lators［C］//Proc IEEE Int Freq Control Symp，1996：839-843.

［9］Huang Xianhe，Fu Wei，Chen Pingping.Physical Model of Phase Noise in Feedback Oscillator［C］//Proc IEEE Int Freq Control Symp，2013：952-955.

［10］Vorokhovsky Y L，Drakhlis B G.High-Stability Quartz Oscillators on Internally-Heated Quartz Resonators with AT and SC Cuts［C］// PPForty-fifth Annual Symposium on Frequency Control，UK：Eletronic Press，2000：423-431.

［11］高益.精密恒温晶体振荡器的设计与研制［D］.武汉：华中科技大学，2004：10-22.

［12］冯新宇，寇晓静.ADS射频电路设计与仿真入门应用及设计实例［M］.北京：电子工业出版社，2014：30-58.

［13］Huang Xianhe，Chen Pingping，Fu Wei，et al.Prediction，Simula⁃tion and Verification of the Phase Noise in 80 MHz Low-Phase-Noise Crystal Oscillators［J］.IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control，2015，62（9）：1599-1604.

黎荣林（1963-），男，汉族，河南南阳人，河北博威集成电路有限公司，高级工程师，主要研究方向为频率控制技术；

陈萍萍（1989-），女，汉族，山东德州人，河北博威集成电路有限公司，助理工程师，主要研究方向为频率控制技术，chenpingping0aa@163.com；

黎敏强（1980-），男，汉族，广西贵港人，河北博威集成电路有限公司，高级工程师，主要研究方向为频率控制技术。

Development of High-Stability Oven Crystal Oscillator

LI Ronglin，CHEN Pingping，LI Minqiang，WANG Xueyan
（Bowei Integrated Circuits Co.Ltd，Shijiazhuang 050051，China）

In order to satisfy the requirements of high stability，a 10 MHz high-stability and low-phase-noise oven crystal oscillator was developed.Based on the analysis of the short term stability of the crystal oscillator，the meth⁃ods for improving the short term stability were presented.Referring to these methods，a 10 MHz oscillation circuit was designed.Then，with the help of the harmonic balance simulation method，by the way of constantly optimiza⁃tion，the ideal simulation curve of the phase noise was obtained in ADS.At last，the 10 MHz low-phase-noise crystal oscillator prototype was debugged under the guidance of the simulation results.According to the measured data，the phase noise at 1 Hz offset the carrier frequency is about-108 dBc/Hz and the Allan Deviation at 1 s of the 10 MHz oscillator can reach about 1.1×10-12，which means that this 10 MHz oscillator has much higher stability.

oven crystal oscillator；short term stability；harmonic balance simulation；Allan deviation；phase noise

TN753.9

A

1005-9490（2016）02-0329-05

EEACC：1230B10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.017

2015-10-19修改日期：2015-11-24