低噪声高稳定100M恒温振荡器的设计与实现

高志祥

（南京中电熊猫晶体科技有限公司，江苏 南京 210038）

0 引言

振荡器是一种通过振荡产生信号的元器件，可以看作一个能量转换装置，能将线路中的直流电源的电能转换成一种固定频率、幅度和波形的直流信号。这种能量的转换基于石英晶体材料的一种特性，即压电效应。在石英谐振器的2 个电极之间加一个固定电场，中间的晶片就会发生机械形变；反过来，晶片发生机械形变，其电极之间也会产生一定的电场。正是基于这一特性，厂家生产出各式各样的振荡器，恒温晶体振荡器便是其中一个分支。

恒温晶体振荡器是目前频率准确度、频率稳定度最好的振荡器，其短期稳定度、相位噪声具有非常优异的性能，长期稳定度也不逊色于普通的原子钟，被广泛应用于航空、航天、通信、雷达和精密仪器仪表等多行业。随着技术的发展，对频率器件的高稳定度也要求越来越高，给频率器件厂家带来了新的挑战，同时也是新的机遇[1]。

1 理论分析及设计方法

1.1 相位噪声浅析

常说的恒温晶体振荡器的短期稳定性主要包括相位噪声、温度波动以及日老化。日老化主要取决于核心元器件本身的制造工艺。温度特性主要取决于恒温槽精密控温技术。相位噪声相对来说复杂一些。由于电噪声的存在使晶体振荡器产生随机抖动，因此晶体振荡器频率的短期稳定主要由电路内部电噪声的强弱决定。根据噪声形成机理的不同，电噪声可以分为热噪声、散弹噪声、散变噪声和爆裂噪声等。其中，热噪声和散弹噪声的机理早已清楚。爆裂噪声被认为是载流子受半导体结中的缺陷调制而产生的并且有了一定的试验依据。唯有散变噪声的形成机理至今没有定论。然而对振荡器的研发者来说，最重要的是各种噪声的谱密度，散变噪声具有f-a 形成的谱密度，这一点是明确的[2]。因此设计一款低噪声、高稳定的100M晶振，需要先设计好其核心的振荡电路。

1.2 振荡电路设计及器件选型

高稳晶体振荡器可以拆分为4 个模块，分别是振荡线路、信号处理放大、直流稳压电路以及恒温槽控制电路。作为整个振荡器的核心，振荡电路的每个特性指标会直接影响高稳晶振的最终性能。因此振荡部分选用巴特勒共基串联振荡电路[3]。此外，由于石英谐振器的滤波作用，流入发射级电流的谐波分量较小，噪声较低，因此振荡电路还具有较好的频谱特性。振荡电路原理图如图1所示。

图1 振荡电路原理图

研制低噪声晶振，需要先选择Q值较高的晶体，并使晶体有尽可能高的在线Q值。Q值与晶体的切型有密切关系，高精密AT 切型和SC 切型的Q值高达2×106，而高精密的BT 切型的Q值可高达4×106。因此，如果不考虑其他参数指标，只要求相位噪声的话，那么BT 切晶体必然是最佳的选择。SC 切晶体Q值虽然只有BT 切的一半左右，但是SC 切型是一种应力补偿型晶体，由温度和温度梯度变化带来的频率变化比AT 切晶体小得多。与SC 切晶体的噪声和BT 切晶体差不多，有时甚至更好一些。再综合晶片厚度与晶体阻抗等因素，最终决定选择SC 切型5 次泛音晶体进行低噪声、高稳定100M 恒温晶振的研制。

除了高Q值晶体选择外，低噪声晶体管是低噪声振荡器设计中的又一个重要器件。由晶振相位噪声计算公式可知，晶体管应具有特征频率fT高，2GHz~10GHz 为佳，噪声系数NF小于3dB 并且越小越好，电流放大倍数β大于80，但不宜太大。基区电阻rbb与结电容CC越小越好。综上所述，最终选择NXP 公司的一款低噪声三极管。

无源器件电感和电容的选择同样需要注意。电感在理想状态下的阻抗为0，但实际中不存在阻抗为0 的电感。电感在不同频率下也有不同的Q值，因此就要在同等尺寸下选择Q值最大的。电感的温度特性受不同绕芯材质的影响，其温度特性也有较大区别。对陶瓷绕线电感同时具有高Q值、低温漂的特性要求。电容器件和电感在电路中同样重要，因此电容器件的温漂一定要好。那么体积小、温漂小的MLCC 电容为最佳选择。

线路板不仅是所有器件的载体，还通过线路连接了各元件。其本身特性也会影响晶振的性能及可靠性。由于恒温晶振内部一直是高温环境，因此线路板的Tg值必须要大于150，最好能有170。沉金工艺也是必须具备的，具有良好的导电性才能更好地传输频率信号。工艺上尽量选择4 层板，内层进行铺地处理，以增大加热面积，保持温度稳定。

1.3 高精密恒温槽控温原理及实现

由晶体谐振器频率温度曲线可知，晶体谐振器的频率随温度而变化，温度的波动会直接影响晶振频率的稳定度。因此，恒温晶体振荡器的温度控制是提升其稳定度的重要手段。

高稳定晶振的恒温槽多数采用的是单层恒温槽，其优势是结构简单，方便安装调试。设置多个不同位置传感器进行温度检测，也能得到不同的温度特性。稳定度一般在10-8量级。其缺点如下：1）电路具有有限的开环增益。2）恒温槽内温度并不能较好地稳定在固定点。3）输出频率稳定性和恒温槽关系密切。单层恒温槽控温系数G一般在0.05 左右，也即当环境温度变化100℃，恒温振荡器内部谐振器温度变化为5℃。由SC 切晶体的温度频率曲线可知，当温度变化为5℃时，其频率变化在10-8量级。因此，要得到10-9量级或更高的精度，就需要晶体温度波动小于1℃，也就意味着控温系数要小于0.01。为达到这一要求，可以采用的办法包括1）多一层控温，也即双恒温槽结构。2）增加热源，增大加热面积，减少温度波动带来的频率变化。3）增加温度传感器，使温度调节更灵敏。该设计同时采用第一个和第三个方法[4]。

双恒温槽结构示意图如图2 所示，采用多传感器恒温槽模式。图2 中1~4 为加热功率管，箭头所示为温度传感器。

图2 双层恒温槽结构图

将晶体谐振器和振荡电路放入内层恒温槽内，放大电路和稳压电路放到外层恒温槽。外槽温度设定低于内槽温度10℃。内槽控温线路采用现有成熟设计方案，如图3 所示。

图3 直放式恒温槽电路

直放式控温电路通过电桥和热敏电阻结合的方法来对恒温槽内的温度进行控制，电桥两端分别接在运算放大器的正极和负极。当两级间的电压不相等时，运算放大器输出一定的电压值，这个电压值会使加热功率管工作在线性放大区。刚通电时，负温度系数的热敏电阻具有较大阻值，此时运算放大器的负极具有较大电压，导致电桥不平衡。运算放大器输出高电压，可使功率管具有更大电流来进行加热。随着恒温槽温度的升高，负温度系数热敏电阻的阻值会慢慢降低，运算放大器的负端电压也会慢慢变小，最终和正极电压一样。此时加热功率管可提供较小的电流给恒温槽，使其产生的热量平衡掉散去的热量，直到恒温槽达到设定的温度[5]。

温度传感器放置在不同位置。将一个放在内槽紧贴谐振器，感知谐振器温度T1。将2 个放在外部恒温槽内，感知外界温度变化T2。通过T1和T2的差值来精确设定恒温槽温度。为精确测量出T1温度，需要利用SC 切晶体的另外一个特性，即其振荡在B 模时的温度频率曲线。SC 切晶体在正常工作过程中振荡在其C 模。这时，其频率温度曲线呈现平坦“n”状。当温度达到拐点时，频率最大。

但是SC 切晶体不仅有C 模，在C 模1.09 倍频率处还有个B 模，其振荡信号更强，如果不加以抑制，振荡器会振荡在B 模。当振荡器振荡在B 模时，其频率变化ΔF与温度变化ΔT的关系式为ΔF/ΔT=-25.5（1×10-6/℃）。利用SC切晶体B模这一特性可以精度测得谐振器在恒温槽工作过程中的准确温度，可满足对恒温槽精准控温的要求[5]。

1.4 电源电路设计

电源引线上的噪声或纹波会使任何振荡器的相噪性能恶化。电源电压的变化将改变射频电压限幅条件、谐波成分、电抗负载和输出频率。因此任一低相噪振荡器都需要极低纹波和低噪声的电源。

该文设计的电源电路使用了LT3042 稳压器，如图4所示。LT3042 是一种高性能低压差线性稳压器，拥有具有LTC 特色的超低噪声和超高电源抑制结构，可为噪声敏感应用供电。LT3042 输出电源范围宽（为0V~15V），同时可提供几乎恒定的输出噪声、电源抑制比、带宽和负载调节，具有独立的编程输出电压。

图4 电源电路设计图

2 测试仪器与测试结果

产品性能指标好坏只能通过仪器测试才能鉴别。这就要求仪器设备本身具有同等或更高的性能。进行频率精度测量时，一般频率计精度只能达到10-8级别，好一些的频率计内置恒温晶振模块，精度也只能达到10-10级别。当测试精度需要更高时，必须配合10-13量级以上的铷原子钟或铯钟。

相位噪声的测试需要选用专业的相噪仪。不同相噪仪测试的基该方法不同，测量精度也不相同，该文选用目前测试方法为最新的、精度最高的FSWP 相噪仪进行测试，其频率测量为1MHz~26.5GHz，频偏为0.01Hz~40MHz，测量精度小于1.5dB。内置高稳源，配合互相关技术，底噪-185dBc/Hz 并且可以同时测试相位噪声与短期稳定度。

通过测试，该文设计中的低噪声高稳定性100M 晶振指标见表1。

表1 低噪声高稳定性100M 晶振指标

3 结语

该文综合了市面上不同客户确立的指标，寻找出设计中的关键点，分析、评估了双层恒温槽结构、低噪声振荡电路以及高Q值谐振器的特点，配以高性能稳定的稳压电源，综合设计出该款低噪声、高稳定100M 振荡器。该产品应用于机载、弹载等项目中后，整机系统指标有显著提升。