小型低相噪恒温晶体振荡器设计

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(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)

0 引言

在各种石英晶体振荡器中，恒温晶体振荡器(OCXO)是一种频率稳定性最好的高精密晶体振荡器。广泛应用于通信、导航、雷达、精密仪器仪表、测试设备中[1]。随着大规模集成电路及表面贴装技术的发展，精密仪器及通讯导航系统整机体积越来越小。整机的小型化对部件提出了越来越高的要求。为了获得更高的频率稳定度，必须采用高性能晶体谐振器、稳定的振荡电路以及结构完善、高精度的恒温槽[2]。小型低相噪恒温晶振成为近年来主要关注的对象。

根据市场需要,设计了中心频率40 MHz、温频特性≤±2×10-8(-30～+70 ℃)、相位噪声≤-160 dBc/Hz@1 kHz，体积仅为20 mm ×12 mm ×10 mm的小型低相噪恒温晶振。

1 电路设计

图1为石英晶体振荡器电路结构框图[3]。由于产品要达到2×10-8的温频特性及0.1 ps的抖动指标，对于电源的处理格外重要，电源处理系统采用低噪声线性稳压器 (LDO)，保证了电源的温度稳定性，同时对外部电源的纹波进行处理，消除电源噪声的影响。采用放大及整形电路，同时在输出端进行阻抗匹配输出，进一步减少后级对振荡电路的影响，提高产品的稳定度。

图1 石英晶体振荡器结构原理图

图2为采用门振荡电路的原理图[4]。图中,180表示相位翻转180°。振荡电路谐振器选用SC-切40 MHz三次泛音晶体。由于SC-切谐振器具有B、C两种振动模式,C模是具有零温度系数的振动,为所需的理想振动模式。在比C模频率高约10%处有一寄生振动,称B模振动。因此,B模的抑制是电路设计时需要重点考虑的问题，该抑制网络直接影响到振荡器高低温工作的可靠性，电路中,L1、C1用来抑制40 MHz的基频，L2、C2谐振在40～44 MHz处,抑制晶体B模振荡,同时又保证了C模振荡。电路中晶体工作于略高于串联谐振频率且呈现电感性的区间，此时晶体作为三点式振荡电路中的一个电感元件。

图2 晶体振荡器电路原理图

2 晶体谐振器设计

晶体谐振器是一种基于压电效应实现的机械振动系统，其等效电路如图3所示。图中，C0为静态电容，C1为动态电容，L1为动态电感，R1为动态电阻。晶体谐振器自身的品质因数Q值是衡量晶体谐振器性能的重要因素。

图3 晶体谐振器等效电路图

晶体谐振器的晶片切型包括AT-切、SC-切、BT-切等。其中较常用、生产较成熟的是AT-切和SC-切晶体谐振器。

SC-切谐振器的显著特点是其频率与温度间有近似的三次函数关系，因而它具有零温度系数点。与AT-切相比，在零温度系数点附近，SC-切晶体谐振器的温度系数小1个数量级，且翻转点温度高，频率偏差小，高温区温频系数小，即SC-切谐振器的温度稳定特性较好，特别适宜作恒温晶振。另外，由于SC-切谐振器具有应力补偿和热瞬变补偿，因此，在其他性能上，与AT-切谐振器相比，SC-切谐振器较优。SC-切谐振器具有以下优点：

1) 开机特性好，适用于快速启动。

2) 应力效应小，老化较小。

3) 幅频效应小，能承受较强的激励电平。

4) 短期稳定性较好。

5) 频率温度系数小，温度稳定性较高。

另外，SC-切谐振器在抗辐射性能、抗加速度性能和抗高温性能方面，特性比 AT-切谐振器优。目前高稳定晶体振荡器中广泛应用的也是SC-切石英晶体。

本文采用SC-切三次泛音冷压焊封装晶体[5]，与基频模式相比，泛音模式具有较高的体积/表面积比值，这意味着表面质量对泛音模式影响较弱，同时泛音模式具有较高的Q值。但另一方面，泛音模式由于具有较大的电阻，增加了起振难度，且需要更大的晶片尺寸。

晶体谐振器的频率受温度影响的关系为

c0(T-T0)3

(1)

式中：f为频率标称值；Δfs/f为晶体的温度系数，由晶体的切型和角度决定，选择合适的切角，可得到具有零温度系数的晶体。

图4为SC-切三次泛音40 MHz晶体谐振器的温频曲线。图中，Δf为晶振输出频率变化率。T为温度产品要求工作温度(-30～+70 ℃)。晶体谐振器的零温度系数点需选取在(85±5)℃内。

图4 40 MHz SC-切晶体谐振器温频曲线

3 控温电路设计

晶体谐振器的频率随温度而变化，温度是影响晶体振荡器稳定度最主要的因素，控制和处理温度是提高晶振稳定度的主要手段[2]。为了达到本项目频率温度稳定性的要求，需要对振荡器的控温结构进行精确的分析和设计。在减小体积的情况下保证产品温频特性是控温电路设计的关键。小体积、高稳定晶振产品一般采用谐振器内加热方式或传统电阻丝加热方式。综合考虑工艺实现难度及成本等因素，本设计采用了改进后的传统加热方式，使用有源负载取代电阻丝作为加热源。在充分利用负载耗散功率的同时减小了产品的体积。控温电路原理图如图5所示。

图5 控温电路原理图

恒温控制是指一个电伺服系统持续向恒温槽加热，通过改变加热电流来补偿环境温度的变化。当外界温度降低时，嵌在恒温槽中的热敏电阻RT会发生变化引起桥路不平衡，桥路输出电压经高增益差分放大器放大，驱动功率器件对恒温槽进行加热，以补偿降低的温度，同理，当外界温度升高时，桥路输出电压减小，恒温槽加热电流也相应减小，最终达到热平衡。

通过精心设计的恒温槽可使晶振的稳定度达到10-8量级，但由于电路的开环增益不是无穷大等原因，造成恒温槽内随外界温度变化存在温度波动。单层恒温的热增益一般为300，因此必然存在温度的波动[6]。恒温槽变化对晶体温频特性的影响如图6所示[7]。

图6 恒温槽对温频特性的影响

由图6可知，恒温槽随外界温度的变化而产生的变化量为ΔT0，在外界温度不变的情况下，恒温槽本身还存在温度的漂移，通常的设计为调节恒温设置点在上拐点附近，以期达到理想的效果，但由于ΔT0的存在，必然引起振荡器输出频率的变化。在设计中，我们选择控温点在晶体谐振器频率随温度变化最平坦处的上拐点。

如何评估恒温槽的控温精度一直是困扰恒温晶振设计的难题。由于SC-切晶体谐振器的B模振荡频率与温度近似于线性关系[7]，可让产品振荡在B模，并通过测试B模振荡频率，感知晶体内部晶片的“真正”温度。利用晶体B模这一特性可对恒温晶振的温度控制系统进行精确的评估。理论上B模曲线近似为线性，斜率约为

(2)

该斜率表示，随着外界温度的升高，晶体的频率逐渐降低，且温度每变化1 ℃，频率变化-25.5×10-6，即变化率为-25.5×10-6/℃。

本产品温度控制选择了比例积分反馈的连续式控温电路，通过比例积分反馈回路对温度进行精确控制，通过调试控温电路的放大增益、积分常数等参数达到提高控温电路的灵敏度、控温精度及环境适应性的目的[8]。

调节控温电路的积分、微分参数，使得放大增益较大的情况下仍能较快的保持稳定。将恒温槽的温度调至晶体的拐点温度处，测试其B模曲线的斜率，测试曲线如图7所示。

图7 恒温晶振的B模频率温度特性

由图7可知，在控温电路的作用下，当外界环境从-30 ℃升温到+70 ℃时，晶振输出频率变化Δf约为12.2×10-6，由式(2)计算可知，该产品恒温槽的控温精度为

(3)

通过对产品控温精度的评估，采用比例积分控温技术后，在环境温度变化100 ℃时，晶体谐振器的温度仅降低0.47 ℃，可满足产品温频特性对控温精度的要求。

4 测试结果

经实际测试，设计中研制的40 MHz小体积恒温晶体振荡器测试指标如表1所示。图8为样品在 25 ℃～-30 ℃～+70 ℃的频率波动图。图9为相位噪声图。图10为产品实物照片。

表1 40 MHz晶体振荡器测试指标结果

图8 样品25 ℃～-30 ℃～+70 ℃的频率波动

图9 相位噪声实测结果

图10 实物照片

5 结束语

针对指标要求，分析了SC-切晶体谐振器的特点，找出了温度控制设计的关键点，介绍了恒温槽控温精度的评估方法。设计的产品综合运用低噪声LDO，SC-切晶体谐振器，B模抑制网络等设计。在减小体积的同时提高了产品的相位噪声。经实际测试，产品指标完全满足用户要求，具有体积小,稳定高及相位噪声低的特点。产品用于通信及雷达等设备中，可提高整机系统指标，减小体积和降低功耗。具备很好的应用前景和较显著的经济效益。