一種低相噪恒溫晶體振蕩器的研制

1、種低相噪恒溫晶體振蕩器的研制恒溫控制石英晶體振蕩器 （簡稱恒溫晶振） 的頻率溫度穩(wěn)定 度一般在土 0.5ppm土 0.005ppm的范圍。它是各領域的中高端 電子設備的頻率源， 它的技術水平和質量水平決定了電子設備的 技術質量水平。隨著科學技術的發(fā)展，恒溫晶振在民用和軍用各領域的中、 高端電子設備中獲得了廣泛應用。 同時各領域的中、 高端電子設 備對其頻率源恒溫晶振的電性能和可靠性的要求越來越高， 功耗 和體積要求越來越小， 這推動了恒溫晶振設計技術的發(fā)展。 恒溫 晶振用途不同，技術要求不同，設計也不同。該晶振難點是老化 小，相噪低，主要技術指標如下：電源電壓：12V,標稱頻率：10MHz工作

2、溫度：-4070C，頻率-溫度穩(wěn)定性：土 1X 10-8 , 老化率：w± 5X 10- 10/day，輸出幅度：9dBm單邊帶相位噪 聲：w -15 0dBc/Hz1kHzW -160dBc/Hz10kHz。1. 電路噪聲分析隨著無線電技術的飛躍發(fā)展，雷達和通訊設備越來越先進， 為了準確無誤，對其核心元件晶體振蕩器指標提出了更高的要 求，特別是相位噪聲要求更嚴。因此，國內外的專家在這方面做 了大量工作。噪聲主要有閃變噪聲、白噪聲和隨機噪聲。考慮到 閃變過程依賴頻率f 丫，此處B限制在0&gt； 丫 >-4 ,公式（1） 給出了實際振蕩器的相位噪聲功率譜密度的模

3、型為：S© (f) =k-3f-3+k-2f-2+k-1f-1+kO(1)式中系數kY定義不同成分的噪聲水平，其值決定單邊帶相 位噪聲？(f) =10log0.5 S(f)的斜率。y =0, -1 , -2 , -3 , -4 分別表示白噪聲調相、閃變噪聲調相、白噪聲調頻、閃變噪 聲調頻和隨機游動噪聲。 隨機游動噪聲主要與環(huán)境條件的影響有 關。通常 Y 值如表 1 所示。表 1 Y 值一覽表噪聲類型 Y N S© (f) 噪聲系數閃頻噪聲 y -3 k-3f-3 k-3=2a (f0/2Qe ) 2白頻噪聲 Y -2 k-2f-2 k-2=( 4FNKT/PS)( f0/2

4、Qe )閃相噪聲 Y -1 k-1f-1 k-1=2 a白相噪聲 Y 0 k0 k0=4FNKT/PS根據公式( 1 )可畫出晶體振蕩器相位噪聲譜線。如圖 1 所 示。圖 1 晶體振蕩器的相位噪聲譜線 另外根據資料放大器單位帶寬內的的等效輸入噪聲為： En2=4K(T rbb'+Rs ) +2eIB( rbb'+Rs ) 2+2efLIB2 ( rbb'2+Rs ) /f+2eIc ( rbb'+Rs ) 2( f/fT ) 2( 2)In2=2eIB+2efLIB2/f+2eIc ( f/fT ) 2( 3)由上面分析可看出：降低石英諧振器的電阻，提高晶體的

5、Q 值，加大晶體的激勵電流，降低工作溫度，能改善晶體的噪聲影 響。從晶體管放大器來考慮，選擇fT高。B值大，rbb'小的晶體管可降低晶振的相位噪聲。2. 設計方案的確定根據對該恒溫晶振主要技術指標的分析， 設計采用單層恒溫 槽控溫結構， 電源電壓一路直接供給功率管對恒溫槽加熱， 另一 路經多次穩(wěn)壓供給振蕩電路、 緩沖放大電路和控溫電路。 控溫電 路采用高精密直流橋式電路， 使恒溫槽的溫度基本保持恒定， 以 便達到比較穩(wěn)定的頻率輸出。設計方案的原理方框圖如圖 2 所 示：圖 2 原理方框圖3. 設計實例振蕩電路是恒溫晶振最關鍵的部分， 它設計的好壞， 直接影 響到恒溫晶振的頻率穩(wěn)定性、

6、功耗、輸出幅度、 相位噪聲等參數。 設計的電路原理圖如圖 3 所示。圖 3 電路原理圖 電路的第一級一方面接成變形的共集電極皮爾斯振蕩器， 另 一方面又接成低Q值的調諧共射放大器。所謂“變形”是指晶體 管的集電極并不是真正接地，而是通過一個LC并聯(lián)諧振電路接地。由于LC并聯(lián)諧振電路的諧振阻抗很高，使得振蕩器難于起 振，故通常將一電阻與并聯(lián)諧振電路并聯(lián)，以降低其諧振阻抗， 電阻值以確保振蕩器在各種不利條件下能順利起振為準， 通常在 2kQ以下。晶體振蕩器的噪聲，主要出自晶體管的內部，因此，減少晶 體管的個數或采用噪聲更低的晶體管， 就可以進一步減小振蕩器 的噪聲，本振蕩器僅用了兩個晶體管。除了減

7、少晶體管的個數外， 還采用了一些降噪聲措施。 例如， 振蕩級放大器原電阻減小至 2k Q ;電源線中增加了多級 n式LC 和RC去噪聲濾波器；振蕩級用低噪聲穩(wěn)壓器 LP2985供電等。晶體是振蕩器的心臟，它的質量好壞直接影響晶振的性能。因此我們選用了 3次泛音SC切10MHZTO-8型高精密晶體諧振器， 其等效電阻小于80Q , Q值達到了 1000k以上。這種晶體是采用 高真空冷壓焊封裝，老化率特別小， Q值高，相位噪聲低，短穩(wěn) 好。恒溫晶振的恒溫系統(tǒng)是由恒溫槽、 控溫電路、 感溫元件和其 它輔助裝置所組成。 控溫電路采用熱敏電阻電橋、 低漂移運算放 大器和加熱功率管等組成。 高精密直流橋式控溫電路， 使恒溫槽 的溫度基本保持恒定，使頻率溫度穩(wěn)定性進入 10-9 量級。4. 測試結果研制的恒溫晶振經用戶使用效果較好， 完全滿足整機的性能 要求。其測