高可靠高稳定恒温晶体振荡器设计

刘兰坤，王占奎

（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

随着我国宇航技术的发展，系统对高可靠高稳定恒温晶体振荡器的需求越来越紧迫，目前高稳定度高频恒温晶振主要依靠进口，因此设计一种高可靠高稳定恒温晶振十分必要。

本文设计了一种输出频率100MHz、短期稳定度优于2*1012/s，相位噪声优于-72dBc/Hz@1Hz，-105dBc/Hz@10Hz，-135dBc/Hz@100Hz的高可靠、高稳定度恒温晶振，主要用于宇航应用系统。

1 方案设计

恒温晶振是将石英晶体谐振器置于一个恒温槽中，采用精密控温系统对恒温槽加热，使位于恒温槽内的石英晶体谐振器工作在其频温曲线拐点温度下，以获得高稳定度的晶体振荡器。本文选用恒温晶振方案实现，方案由稳压电路、振荡放大电路、控温系统及晶体谐振器组成，原理框图如图1示。

图1 恒温晶体振荡器原理框图

2 高稳定度设计

衡量晶体振荡器稳定度性能的最重要指标是短期稳定度，短期稳定度在时域和频域内的表征分别是阿仑方差和相位噪声。

2.1 振荡器短期稳定度分析

短期稳定度是指由噪声引起的振荡频率的变化。反馈振荡器由放大器和反馈网络组成，在放大器和反馈网络中，噪声通过对振荡器输出信号进行干扰或调制而影响振荡器的短期稳定度。相位噪声的数学研究方法主要有线性时不变方法[1]、Lesson噪声模型[2]等。本文选用Lesson噪声模型进行分析。

式中：SΔφ(f)为振荡器输出相位噪声谱密度，SΔθ(f)f0为振荡器环路内部相位谱密度，f为振荡器输出频率，QL为偏离输出频率，为回路有载品质因数。

为方便分析，设振荡器环路（放大器）中只存在闪变噪声和白噪声，则振荡器环路输出单边带相位噪声谱密度为[3]：

式中：α为取决于1/f噪声电平的常数，β=4kTF/Ps.k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，F为噪声系数，Ps为振荡器输入的信号功率。

将式（2）代入式（1）得输出信号的相位噪声谱密度为：

将（3）式写成如下幂级数形式：

根据时域与频域的转换关系可求得阿仑方差为：

式中：σy(τ)为阿仑方差，τ为采样时间，fh测试带宽。

将各噪声有关的系数值代入式中，得出阿仑方差表达式为：

式（5）表征了各类噪声对振荡器的短期稳定度影响。经过分析可知，对振荡器秒级短期稳定度影响最大的因素是闪频噪声。为降低振荡器的闪变噪声，设计中一方面要选取品质因数Q值较高的晶体谐振器，并选择合适的振荡电路形式，尽可能提高振荡回路有载品质因数值，另一方面振荡电路要选用低噪声的晶体管，并合理设置稳定的工作点。

2.2 低噪声振荡电路设计

振荡电路是实现振荡器优异稳定度的关键，因此是晶振高稳定度的设计重点。本文采用有载品质因数值较好的巴特勒电路[4]，如图2所示。在电路中晶体谐振器接在振荡晶体管的发射极，工作在自身串联谐振频率上，呈纯阻性，起到对谐振频率进行高Q选频作用，为电路提供反馈，属于串联反馈型振荡电路。

图2 巴特勒电路等效原理图

为了提高秒级短期稳定度，本文对巴特勒电路进行改进，将振荡信号从振荡晶体管的集电极采用部分接入方式引出，降低负载对振荡电路品质因数Q的影响。

振荡电路中振荡晶体管选用噪声系数低、放大倍数高、截止频率高的高频低噪声晶体三极管。本文选用的三极管噪声系数优于2.5dB，截止频率大于700MHz。

振荡电路中的晶体谐振器选用高品质因数Q值的SC切5次泛音100MHz晶体，选用合理的等效电阻和拐点温度，保证满足高稳定度。

2.3 低噪声放大电路设计

本文设计中振荡信号从振荡晶体管集电极引出，选用低输入阻抗的共基低噪声放大器。放大电路晶体管选用与振荡级同型号的低噪声三极管，采取适当的负反馈，降低电路1/f 噪声。输出端采用电容分压带负载方式实现阻抗匹配，并加入低通滤波电路，有效隔离振荡电路与输出端，减小负载对振荡状态的影响，进而提高信输出信号稳定性。

3 高可靠性设计

面向宇航应用需求，本文在电路设计、元器件选用、结构设计等方面遵循宇航标准，满足宇航环境适应性要求。

3.1 混合集成结构设计

为了提高产品固有可靠性，将电路设计方案中的稳压电路、振荡放大电路和控温加热电路按照电路功能，将有源器件通过混合集成工艺制成高可靠混合集成模块电路。在混合集成电路模块外围连接必要的无源元件最终构成高可靠晶振成品，晶振总体结构形式简单，可靠性大大提高。

为了提高产品使用可靠性，晶振外壳采用重量轻、刚度高的铝合金盒体结构。电路板安装通过引脚焊接方式固定于盒体内部，并通过内部加固方式提高晶振固有机械模态频率[5]。在晶振管壳上设计有四个安装孔，可以通过螺钉安装紧固到结构中，再将晶振的引脚焊接引出，充分保证了产品的可靠性。

3.2 器件选用

本文所有器件均选用宇航级器件，器件均满足降额的要求。

晶振的核心器件晶体谐振器，本文选用了抗振动、抗冲击性能较好的多点支撑的TO-5封装SC切冷压焊晶体。TO-5的冷压焊晶体为四点支撑结构，从力学方面分析可知TO-5封装晶体支撑强度大大提高，其抗冲击能力较两点支撑结构大大提高；另外TO-5封装SC切型的晶体具有应力补偿效应，抗加速度性能好。

4 实物制作及测试结果

本文最终研制设计的恒温晶体振荡器体积为38mm×38mm×16mm，如图3所示。

图3 实物照片

对设计研制的100MHz高可靠高稳定恒温晶体振荡器的度短期稳定度进行了测试，实际测试相位噪声为-72dBc/Hz@1Hz，-105dBc/Hz@10Hz，-135dBc/Hz@100Hz，-161dBc/Hz@1kHz，见图4。测试阿仑方差为在100ms和1s均达到2×1012。具有很好的频率稳定性。

图4 相位噪声实测曲线

5 结论

本文从高稳定度电路设计及高可靠性设计两方面开展了100MHz高可靠高稳定度恒温晶体振荡器的分析和研究，研制的产品可靠性满足宇航应用预期，性能指标与国外同类产品达到同一水平，对我国高可靠恒温晶振技术发展具有重要意义。