高稳定度晶体振荡器特性分析

【摘要】随着现代通信技术的发展，开始对频率源的质量提出了更高的要求。同时国际上对高端频率源产品制定了禁运的规定，这样就迫使我国不断研发高稳定晶体振荡器。本文将会对高稳定度晶体振荡器的相位噪声特性、温度特性及老化特性等给予介绍，从而为高稳定度晶体振荡器的研发提供更广阔的空间。

【关键词】高稳定度晶体振荡器；噪声特性；温度特性；老化特性

【分类号】TN752.2

随着我国科技日新月异的变化，各行各业对频率源提出了更高的要求，而且应用范围和应用领域在不断的扩大，尤其是石英晶体及其振荡器等产品。如今，对高稳定度晶体振荡器相关特性的研究已经成为世界各国研究的热点，其具有极高的频率-温度稳定度、极低的相位噪声及极高的可靠性等优点，对一个国家的科技、军事、生活和生产至关重要。

1.高稳定度晶体振荡器相位噪声的研究和优化

1.1振荡器相位噪声的研究

1.1.1电噪声

对高稳定度晶体振荡器进行研究发现，诱发相位及抖动噪声的主要原因是电噪声。因此，振荡器内部的电噪声对晶体振荡器的短期频率稳定性起到了决定性的作用，此外信号-噪声比也对其起到一定的决定作用。通过对噪声的形成机理进行分析发现，电噪声可以划分为散弹噪声、热噪声、爆裂噪声、闪变噪声等四大类。其中，散弹噪声和热噪声的主要形成机理已经被得到证实。而爆裂噪声一般是因为在半导体结调制中载流子诱发缺陷，而且具有实验依据。但是我国对闪变噪声的发生机理还缺乏系统的研究。

1.1.2放大器噪声

在构成高稳定度晶体振荡器过程中，半导体二极管、晶体管、电容、电阻及运放等器件都会产生或大或小的噪音，尤其是晶体管的噪声。所以，在对晶体振荡器进行设计的过程中，要根据实际需求合理选择晶体管的种类，以确保其运行性能。而对于电容和电阻等元件，其自身的有功电阻比较小，所以其产生的噪音不会对高稳定度晶体振荡器产生影响。

1.2低噪声振荡器的设计

1.2.1 10MHz振荡器稳压源的设计

在进行低噪声振荡器设计过程中，一般需要对其噪声的主要来源进行分析，其一般包括两大部分，分别是线路本身噪声和印制板布局结构产生的噪音。而线路本身噪声又可以根据其部位的不同划分为电源噪声和主振电路噪声两大类。印制板布局结构产生的噪音同样可以根据其部位的不同划分为PCB版布局布线诱发的噪音和整个振荡器的机械结构噪音。在进行高稳定度晶体振荡器电源设计时，关键目的是降低振荡器噪声和电源噪声，因为电源噪声以系统造成的影响最大。目前高稳定度晶体振荡器的体积逐渐缩小，所以需要做好电路的优化工作，以达到预期效果。如图1是10MHz振荡器稳压源的设计流程图。

1.2.2 10MHz振荡器电路设计

（1）主振电路设计。 在对高稳定度晶体振荡器进行设计的过程中，一般会选择皮尔斯电路设计，因为该电路不仅可以保证并联谐振型集电极接地，而且还具有稳定度高、抗噪能力强、应用频率范围宽、输出波形好等优点，其简化图如图2所示。当主振线路模型确定之后，要对其关键元件进行合理选择，如电感、电容、晶体、晶体管及变容二极管等。

（2）功率放大电路设计。 在高稳定度晶体振荡器中，主振电路的主要功能是确保晶体振荡器能够顺利起振，但是该过程无法保证输出信号的幅度大小，即不能保证输出驱动力的大小，所以需要进行功率放大电路的设计，只有这样才能输出较强的驱动力。本次研究中，高稳定度晶体振荡器选择了共基极放大电路，其没有电流增益，而仅存在电压增益，同时还具有较低的输入阻抗。

2.高稳定度晶体振荡器的温度特性研究和优化

在高稳定度晶体振荡器中，其一般是按照正逆压电效应来对谐振器进行设计的，由于其具备了上百万的品质因数值，所以该过程中所形成的频率稳定度是RC谐振电路和LC谐振电路无法比拟的。但是高稳定度晶体振荡器也有其缺陷，主要是环境温度的变化对整个系统的运行具有较大的影响。

2.1高稳定度晶体振荡器的频率-温度特性

石英谐振器是高稳定度晶体振荡器的核心元件，其存在的主要缺陷是频率会随着环境温度的改变而发生明显变化。与此同时，石英谐振器工作过程中所发生的温度变化也会诱发晶格的改变，从而导致其频率发生变化。石英晶体所具有的温度特性直接决定了高稳定度晶体振荡器的温度特性，总的来说，振荡电路中电阻和电容所出现的温漂对晶体振荡器频率的影响是可以忽略不计的。如今，一般选择将晶体及电路设定在一个比较稳定的温度环境中，从而形成了一个恒温系统，其温度一般控制在零温度系数点附近，而且对温度控制越精确，晶体振荡器的稳定度越高。

2.2晶体振荡器温度补偿设计

目前，在市场上恒温晶体振荡器和温度补偿晶体振荡器是两种使用比较广泛的晶体振荡器。通过与恒温晶振进行对比发现，温补晶振在进行频率输出过程中所具有的稳定性比较低，但是其具有体积小、开机时间短、温度范围较宽、不需预热、功耗低等特点，所以其能够满足更多电子设备对频率源的标准，逐渐成为世界上比较常用的晶体振荡器之一。

2.3恒温晶体振荡器的设计

目前，恒温晶体振荡器已经成为市场上最常用的晶体振荡器，其频率\温度特性比较好，市场上应用最为广泛的恒温晶体振荡器，其温度范围在-20°C-+70°C，而且其频率\温度特性为10ppb，部分高端产品甚至可以达到0.3ppb。如果恒温槽的温度被约束到0.001°C 以内，将会大大提高晶体振荡器的稳定度。

3.晶体振荡器老化特性的研究及改善

3.1 晶体振荡器老化特性的研究

通过对高稳定度晶体振荡器进行研究发现，晶体振荡器中所使用最多的表达方式是日老化率。目前，随着相关技术的改进，年老化率开始被应用到高稳定度晶体振荡器老化特征的研究之中。如今，在对高稳定度晶体振荡器的规程进行检定时，一般会选择最小二乘法来对其月漂移率和日老化率进行计算，并且经过较长时间的预热之后，会保证其老化朝着一个方向进行，而且在短时间内会保持线性变化的规律。

3.2晶体振荡器老化的改善方法

对于高稳定度晶体振荡器老化特征的改善过程中，传统的方法一般是通过记录一段时间的晶振频率，然后通过一定的公式对其进行拟合，从而得到过去时间曲线，通过选择最小二乘法来对其单方向的线性漂移进行分析，从而得到线性公式，这样就可以对其老化特征进行验证。实际研究发现，老化漂移公式所产生的斜率一般接近于线性关系，而且在单片机中由于编程的原因很容易出现一条相反斜率的直线，与其发生抵消。此时可以通过单片机输出压控电压过程中所对应的频率曲线图，来对压控电压与时间的曲线关系进行拟合。在使用该方法的过程中，存在两类误差需要对其给予分析：一是线性漂移的线性公式一般是借助最小二乘法得到的，其存在一定范围的误差；二是MCU控制电路存在的误差。

4.结束语

与普通晶体振荡器进行对比发现，高稳定度晶体振荡器具有高频率温度特性、低相位噪声特性、超高频率稳定度及低老化漂移特性等特点，因此需要采取措施对其相关特性进行研究，以更好的推动我国电子行业的发展。

参考文献：

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