一种超稳晶体振荡器的设计与实现

曾志林，韩振杰，蒋松涛

(1.北京卫星导航中心，北京 100094；2.成都天奥电子股份有限公司，四川 成都 611731)

一种超稳晶体振荡器的设计与实现

曾志林1，韩振杰1，蒋松涛2

(1.北京卫星导航中心，北京 100094；2.成都天奥电子股份有限公司，四川 成都 611731)

基于超稳晶体振荡器在导航、卫星、通信、雷达和测绘等领域快速增长的应用需求，通过对各项影响晶振稳定性的因素进行了分析，提出了基于低噪声振荡及高精度控温设计相结合的方法，进行超稳晶体振荡器设计。测试结果表明，设计实现的10 MHz超稳晶体振荡器相噪指标可达到-110 dBc/Hz@1 Hz，老化率可达到±2×10-10/天，在-40～70 ℃，频率温度稳定性达到±5×10-10，稳态功耗优于2 W(@25 ℃)。该晶体振荡器具有工作温度范围宽、低相噪、高稳定度和低功耗的优良特性。

晶体振荡器；超稳；低相噪；老化率

0 引言

晶体振荡器是电子设备中的关键器件之一，广泛应用于导航、通信、雷达和测试测量等系统中[1]。例如，在卫星导航定位中，高准确度和稳定度的晶振可用于有效测定码序的起点、实施导航，并通过测定信号到达的时间确定接收机的位置，从而实现定位。同样，在通信中也需要精密的频率源，特别是对于频谱管理和跳频通信，更需要精密频率控制。晶体振荡器的改进能降低跳频系统对于智能干扰机的抗干扰性，并改进在战场确定无线电发射机位置的能力。

晶体振荡器在近10年中得到长足发展，其中在高稳晶体振荡器的研究开发与生产方面，日本及欧美仍居领先和主宰地位。我国的晶振研制和生产水平在近年来得到了迅速的发展，但在稳定性指标、体积和功耗等方面，仍与国际先进水平存在较大差距[2]。因此，开发具备优良的短期稳定度(即相位噪声)、长期稳定度(即老化率)、频率温度稳定性以及小体积、低功耗的超稳晶体振荡器，对于促进国内电子业水平的发展，具有重大的社会意义。

1 超稳晶体振荡器技术途径

目前国内外高稳定晶振的研制途径主要有以下3种：精密控温方式、低噪声振荡方式和泛音振荡结合倍频的方式[3]。

1.1 精密控温方式

根据控温的方式可将恒温晶振分为单层控温恒温晶振和双层控温恒温晶振，前者使用一个控温槽对晶体谐振器及振荡电路进行恒温控制，后者使用2个控温槽和2个控温电路对晶体以及晶振内部电路进行恒温控制[4]。双层控温具有更高的控温精度，但也带来体积增加、功耗增大和结构工艺复杂度增加等问题[5]。恒温晶振的控温精度主要由控温电路灵敏度、热结构设计以及元器件的温度系数等共同决定[6]。

1.2 低噪声振荡方式

低噪声振荡需要从电源电路噪声的处理、低噪声振荡电路的设计以及低噪声放大电路的设计等多个方面进行考虑，任何一个方面噪声的恶化都会引起晶振最终输出信号噪声的恶化[7]。因此，低噪声振荡需要从电路形式、电路参数及电路布局等多个方面入手，使得晶振获得优良的相位噪声指标。

1.3 泛音振荡结合倍频的方式

由于基频晶体谐振器(以下简称“晶体”)频率温度特性及老化率通常比泛音晶体差约半个数量级[8]。如10 MHz频率基频SC切晶体在拐点±1 ℃，频率温度稳定度可优于±5×10-8，而10 MHz频率3次泛音SC切晶体(基频3.333 MHz)则可优于±1×10-8。因此，在超稳晶振研制方面，大多采用泛音晶体，振荡电路采用倍频等方式进行研制[9]。由于5次及以上低频SC切泛音晶体研制较为困难，容易导致晶体电阻变大和Q值下降，使得晶振出现起振困难和相位噪声恶化等情况。因此，需要选择合适的泛音次数，并结合倍频技术以达到较好的电性能指标。

2 超稳晶振技术设计

基于对超稳晶振技术途径的分析，其具有低相位噪声、低短期频率稳定度、低日老化率和高频率温度稳定性的特点[10]。低相位噪声和低短期频率稳定度分别是对晶振输出信号短期稳定性指标的频域和时域的表征，可以通过式(1)进行转换：

(1)

式中，δy(τ)为短稳(阿伦方差)；Sy(f)为单边带相位噪声[11-12]。

因此，短期频率稳定度可以通过进行相位噪声测试后，对噪声曲线进行积分换算得到。从原理上分析，影响短期频率稳定度的因素诸多，主要由振荡回路的参数不稳定导致[13]；而回路参数的不稳定则主要由振荡环路的Q值(包括晶体的绝对Q值以及振荡电路的有载Q值)、环境条件变化(温度、振动等)、负载变化、电源波动及噪声、元器件噪声和电路噪声等引起[14]。

晶振的日老化率主要受晶体谐振器的参数和工艺影响较为明显，同时，电路激励参数也会在一定程度上影响到晶振的日老化率[15]。

高频率温度稳定性对控温精度要求很高，需要对控温电路及恒温结构都进行优化设计，高频率温度稳定性必然要求控温电路的灵敏度提高，但控温电路灵敏度的过高又会造成控温区域波动频繁影响到短期频率稳定度指标。因此，精密控温电路合理的参数设计对超稳晶振设计也非常重要。

综合以上分析，采用高Q低老化泛音晶体、低噪声振荡及倍频设计和高精密控温设计的技术手段，设计满足性能指标要求的超稳晶体振荡器。

3 超稳晶振技术实现

3.1 晶体选择

晶体作为晶振的核心组成部分，其性能在很大程度上决定了晶振的性能指标。本文超稳晶振对晶体的Q值、老化率等具有严格要求，综合分析，选择HC-37U真空冷压焊封装的SC切3次泛音晶体，晶体频率选择5 MHz，以倍频方式实现10 MHz超稳晶体振荡器的设计。

3.2 低噪声电路设计

晶体振荡器的低噪声设计主要包含了振荡电路的低噪声设计、放大电路的低噪声设计和稳压电路的低噪声设计。

因为晶振的短期频率稳定度与晶振的相位噪声是密切相关的，根据Lesson模型的低相噪设计原则，要降低相位噪声，很关键的一条就是要提高晶体在电路的有载Q值[16]。选择考必兹电路作为振荡电路，但传统的考必兹振荡电路由于信号从反馈回路输出，造成负载特性较差，导致电路稳定性下降，同时相位噪声一致性较差。采用改进型考必兹电路如图1所示。

图1 改进型考必兹振荡电路交流等效电路

改进型考必兹振荡电路充分利用了考必兹电路结构简单、易于设计和调试的优点，同时振荡信号直接从石英谐振器引出，充分利用了石英晶体的选频特性，以提高电路的稳定性。在设计过程中，可以通过合理选择晶体管偏置元件值，将三极管置于低噪声工作点，在满足噪声指标的前提下，尽量降低电路激励，以提高产品的老化率和可靠性。

主振电路后采用二级放大倍频电路进行信号倍频放大，在一级放大电路后采用带通滤波器进行信号选择，滤除不需要的信号分量后进行选频放大，二级放大电路采用带通滤波器滤除不需要的信号分量后输出，同时滤波器的参数选择需要考虑到各级电路之间的匹配，以获得更好的电路噪声系数。

稳压电路原理图如图2所示。

图2 稳压电路原理

除振荡电路外，电源线上的干扰也是噪声的重要来源。电源线上的噪声或纹波将使任何振荡器的相噪性能恶化，因此任一低相噪振荡器都需要极低纹波和噪声的电源[17-18]。为保证电源的低噪声，稳压器件采用低噪声线性稳压器，噪声电压可达到20VRMS，1 kHz处的噪声水平为40。通过将稳压器输出端连接到一个低噪声运放来作为供电单元，可以有效减少电源电压变化对器件性能造成的影响，显著降低电源噪声。

V1提供一个低噪声参考电压，通过R1、C1组成的截止频率低于1 Hz的低通滤波器后，噪声进一步衰减，参考电压输入运放N1，通过V2和反馈电阻(R2、R3)来控制最终输出电压。输出噪声电压为：

(2)

3.3 高精密控温设计

为保证高的频率温度稳定度及短期稳定度指标，在进行控温结构设计时，对热结构和热梯度等问题需进行充分考虑[19-20]。

恒温结构设计时，将晶体和振荡电路放置于恒温槽内部，通过功率管对恒温槽进行加热，其余电路放置在恒温槽外部。通过空气热阻槽把恒温槽和其他分隔开来。通过外壳和恒温槽在控温区域外部形成二级热梯度，尽可能避免恒温槽控温区域内部的晶体和振荡电路受温度影响。

在控温参数设计时，需对控温灵敏度等参数进行合理选择。控温灵敏度越高，则控温电路对于温度变化响应速度增快，但会增加恒温槽的热波动，从而降低短期稳定性指标[21-23]。因此控温灵敏度设计需兼顾频率温度稳定性和频率短期稳定度2个指标。

4 实测结果分析

对设计的10 MHz超稳晶体振荡器主要指标进行了测量，相位噪声测量采用PN9000相位噪声测试系统，实际测试曲线如图3所示。

图3 10 MHz超稳晶振相位噪声测试曲线

用经GPS驯服后的XHTF1003H高性能铷原子钟作为外部参考源，测量得到晶振的频率稳定度测量结果，其中短期频率稳定度为1×10-12/s、老化率为±2×10-10/d、频率-温度稳定性为±5×10-10/-40～+70 ℃。晶振封装尺寸50 mm×50 mm×20 mm，稳态功耗优于2 W(@25 ℃)。实测结果表明，主要技术指标与国外同类产品相当，可等同替代，甚至在功耗方面占优(国外同类产品常温稳态功耗通常大于4 W)。

5 结束语

针对影响晶体振荡器频率稳定度的主要因素，提出了改进型考必兹振荡电路和高精度控温结构设计相结合的方法。改进型考必兹振荡电路既充分利用了传统考必兹振荡电路的优点，同时兼顾了石英晶体的选频特性，提高了电路的稳定性。二级热梯度恒温结构的设计，有效避免了晶体和振荡电路受温度的影响，从而保证了频率温度稳定性和频率短期稳定度指标。通过测试验证，设计的超稳晶振具备了良好的相位噪声性能及频率稳定度，性能指标优异，具备很好的应用前景。

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Design and Implementation of an Ultra-stable Crystal Oscillator

ZENG Zhi-lin1,HAN Zhen-jie1,JIANG Song-tao2

(1.BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China;2.ChengduSpaceonElectronicsCo.,Ltd.,ChengduSichuan611731,China)

In view of the increasing application requirements of ultra-stable crystal oscillators in navigation,satellite,communication,surveying and mapping etc.,a method for design of ultra-stable crystal oscillator is proposed based on low phase noise oscillators and high precise design for temperature control,after analysis is made on the factors that influence the stability of the crystal oscillators.The experimental results show that the phase noise of the 10MHz ultra-stable crystal oscillator reaches -110 dBc/Hz@1 Hz,and the daily aging rate reaches ±2×10-10/day.Within temperature range of 40～70 ℃,the frequency temperature stability is ±5×10-10,and the steady power consumption is better than 2 W(@25 ℃).The designed crystal oscillator is characterized by wide temperature range,low phase noise,high frequency stability and low power consumption.

crystal oscillator;ultra-stable;low phase noise;aging rate

2017-02-23

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.06.18

曾志林，韩振杰，蒋松涛.一种超稳晶体振荡器的设计与实现[J].无线电工程,2017,47(6):75-78.[ZENG Zhilin,HAN Zhenjie,JIANG Songtao.Design and Implementation of an Ultra-stable Crystal Oscillator[J].Radio Engineering,2017,47(6):75-78.]

TN752

A

1003-3106(2017)06-0075-04

曾志林 男，(1974—),工程师。主要研究方向：卫星导航。

韩振杰 男，(1976—),工程师。主要研究方向：卫星导航。