低老化率低相噪温补晶体振荡器的研制

【摘要】为了满足用户的要求及元器件国产化的需求，采用低噪声电路设计的原理，研制了一种低老化率、低噪声的温补晶振，产品测试的结果达到了优于同类进口产品的水平目前，该产品已经替代了进口产品，实现了国产化。

【关键词】老化率；相位噪声；最小二乘法；温补晶体振荡器

温补晶体振荡器是采用温度补偿电路改善晶振温度特性的振荡器，它具有工作温度范围宽、频率温度稳定度高、功耗低、体积小、重量轻、开机特性好等优点，在通讯、导航、航空航天、程控交换机、通用仪器等电子设备中应用十分广泛。随着通信和测量技术的发展，对频率源提出了低相噪、低老化等更高的要求。

根据用户的需求，我们研制了一种低老化率低相噪温补晶振，其主要技术指标如下：标称频率：20MHz，频率-温度稳定性：≤±2PPM，工作温度：-40℃～70℃，单边带相位噪声：≤-150dBC/Hz@10kHz，谐波抑制：≤-40dB，输出功率：≥5dBm，年老化率：≤±0.5ppm。

1.晶振相位噪声分析

1.1 石英晶体谐振器的噪声

石英晶体谐振器本身的随机噪声有热噪声、闪相噪声、闪频噪声。

热噪声影响为：

闪相噪声影响为：

闪频噪声影响为：

以上三项均可看出相噪与Q值有关，Q值越高，噪声越小。

1.2 电路噪声

要想设计一个高稳定、低相噪的振荡电路，首先对电路中各种噪声进行分析。如果把振荡器看成为一个具有正反馈的放大器，则主振级噪声模型如图1所示。

图1 主振级噪声模型

由于反馈型晶振的噪声模型可表示为：

式中：为主振级输出信号的相位噪声谱密度

为主振级反馈网络断开时的等效输入相位噪声谱密度，可以表示为：

式中：为白噪声项，FN为噪声系数，PS为输入信号功率，为闪变噪声项，为闪变噪声电平常数。

将（5）式代入（4）式，展开并整理得到：

相位噪声谱亦可表示如下幂级数的形式：

由（6）式可列出主振级相位噪声功率谱密度，列于表1中：

表1 晶振的噪声类型

噪声类型 噪声系数

闪频噪声

白频噪声

闪相噪声

白相噪声

另外根据资料放大器单位带宽内的的等效输入噪声为：

（7）

（8）

由上面分析可看出：降低石英谐振器的电阻，提高晶体的Q值，加大晶体的激励电流，降低工作温度，能改善晶体的噪声影响。从晶体管放大器来考虑，选择fT高。β值大，rbb′小的晶体管可降低晶振的相位噪声。

2.设计方法

2.1 石英晶体谐振器设计

为了解决石英晶体谐振器低噪声问题，首先要减小“噪声响应带宽”，应选取小的返回频率，而返回频率就等于响应带宽；其次，为了减少“内部调制”所产生的附加调频和调相的干扰，应选择φs/φe>2.5。为了保证石英晶体谐振器有较低的老化率，水晶材料选取Q值≥300万的Z块水晶，该材料没有弊病、无杂质，腐蚀隧道ECD小于30/cm2，晶片采用被金电极，离子刻蚀微调，高真空冷压焊封装在HC/45U壳型内。

按以上设计制造出的石英晶体谐振器，实测其等效电阻≤8Ω，Q=80K， -40℃～70℃温度范围内其频率温度系数≤±15PPM，曲线的平滑度≤±0.5PPM，拐点在25℃，翻转点为-5℃和60℃，寄生抑制≤-5dB，老化率达到0.1～0.5ppm，达到了设计的要求。

2.2 电路设计

晶振电路原理图如图2所示，第一级主振级为典型的共发型并联晶体振荡器，该电路激励较强，频率稳定，相噪较好。第二级和第三级组成共发—共基缓冲放大器，输出端为调谐放大器和π型滤波网络，以满足输出阻抗匹配，提高频谱纯度，同时隔离负载的影响，并提供足够的输出电平。补偿网络采用双г型热敏电阻补偿网络，计算程序采用最小二乘法建立热敏补尝电路优化设计模型，补偿精度优于0.5ppm。

设计中通过几个方面来降低电路的相位噪声：选择噪声系数小、β值较大、fT高的高频低噪声晶体三极管；适当增加晶体的激励电平；在晶体三极管发射极串联一个几十欧姆的电阻来降低电路中的1/f噪声。

图2 晶体振荡器电路原理图

3.国内外类似产品的对比

该产品经用户使用满足了整机的要求，完全可以替代进口产品。测试结果与进口产品对比情况见表2。

4.结语

本文介绍了低老化率、低噪声温补晶振的一种设计方法，研制出的产品性能指标优于同类进口产品，已经大批量使用，完全替代了进口产品，为实现国家重点工程元器件国产化的目标做出了应有的贡献。

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作者简介：张振（1975—），男，辽宁辽阳人，工程师，研究方向：石英晶体振荡器的开发与应用。