200MHz高频晶体振荡器研制

曾 嫦

(成都天奥电子股份有限公司,成都 611731)

1 引 言

晶体振荡器(简称晶振)作为电子设备中的关键器件,其性能指标对电子设备综合性能起着至关重要的作用。随着现代无线通信技术的飞速发展,各种电子设备特别是航空、航天电子设备对晶体振荡器的输出频率等指标提出了更高要求,研制难度越来越大。本文利用传统电路设计结合电路仿真的方法研制出了一种满足某项目需要的高频晶体振荡器。该振荡器要求输出标称频率为200MHz,相位噪声为￡(1kHz)≤-135dBc/Hz,工作温度范围为-55℃～+85℃,随机振动量级达到GJB360A方法214-I-D级。

2 晶体振荡器工作原理

高频晶体振荡器研制主要有两种思路:一种是直接采用高次泛音直振,另一种则是采用低频振荡倍频输出。本文中的高频晶体振荡器研制选择后者,利用这种方法组成的晶体振荡器原理框图见图1。由图可知,晶体振荡器包括振荡电路、倍频、放大滤波、加热体及控温电路等5部分。

图1 晶体振荡器原理框图Fig.1 Block diagram of crystal oscillator

晶体振荡器上电后,主振部分起振工作,在加热体和控温电路共同作用下,晶体谐振器快速进入恒温状态,总体而言,此时的主振输出功率较低,于是其后的低噪声放大器对主振输出信号进行小信号放大,并隔离后端电路对主振的影响。按照预定技术路线,在振荡电路之后增加一个倍频器以对主振输出的100MHz信号进行转换,以达到输出用户需要的200MHz信号。放大滤波电路设置在晶体振荡器的最末端,提供3项功能:第一,倍频器在产生所期望的二次谐波的同时,不可避免地产生了其它高次谐波,需要将高次谐波和其它杂波滤除;第二,调整晶体振荡器输出功率;第三,对负载进行阻抗匹配,确保输出信号质量。

3 晶体振荡器设计

3.1 总体设计考虑

对于200MHz的高频晶体振荡器而言,采用过高的泛音次数是不合适宜的。当晶体谐振器工作在高次泛音时其等效电阻值将较工作在低次泛音时显著增大,这会直接影响晶体谐振器主振电路的有载QL值,进而影响到晶体激励电平的选用和电路的相位噪声;不过,采用过低的泛音次数同样不可取,比如5次,此时晶体谐振器基频达到40MHz,需要加工极薄的晶片,不仅影响电路的抗振性能,而且还对晶体谐振器的生产工艺提出了更高的要求。在本设计中,选用了5次泛音100MHz的晶体谐振器,主振电路的输出频率为100MHz,倍频后再输出200MHz目标信号。

鉴于并联型晶体振荡器的晶体谐振器工作于串联谐振频率和并联谐振频率之间,晶体谐振器呈感性,在振荡电路中可作电感使用,减少了在振荡器中电感的使用量,有利于提高振荡器的稳定性,因此在设计时优先选用并联晶体振荡电路。并联型晶体振荡器主要包括米勒电路、克拉普电路、柯尔匹兹电路和皮尔斯等4种电路。基于两“有利”和两“低”原则(即有利于提高晶体谐振器有载QL,有利于降低晶振相位噪声;晶体谐振器激励电平低,放大器引入的调相噪声低),本设计选择了改进型皮尔斯电路。

3.2 振荡电路

振荡电路是晶体振荡器的核心,包括主振电路和低噪声放大电路两部分。按照总体设计思路,主振电路部分选用改进型皮尔斯电路,可以利用其应用频率范围宽、稳定度高、低温特性好、容易起振以及易实现低相位噪声的特点。其原理电路如图2所示,实际电路采用了发射极接地方式。图中晶体谐振器B1等效为一电感,从而使得整个主振电路能满足电容三点式振荡所需要的振幅和相位条件。这种电路在增加了泛音选频回路(L2,C1)后,可激励晶体谐振器在高次泛音频率上振荡[1],理论上最高可达35次泛音,工作频率可超过1GHz,因此非常适合本文的设计要求。

图2 主振电路Fig.2 The principal oscillation circuit

3.3 倍频电路

本设计中的倍频电路采用晶体管倍频法,如图3所示。这种倍频电路与调谐放大电路类似,但倍频电路部分的晶体管工作于伏安特性曲线的截止区,利用其非线性产生多次谐波,输出时再利用电路调谐初选出需要的目标频率。

图3 倍频电路Fig.3 Octave circuit

3.4 放大滤波电路

放大滤波电路将倍频电路选出的目标频率进行放大,同时净化频谱,将不需要的其它谐波、杂波及100MHz基频滤除,所以在滤波电路部分采用无源带通形式,图4是本设计所采用的放大滤波电路。

图4 放大滤波电路Fig.4 Amplifying and filtering circuit

3.5 控温电路

为了提高输出频率的稳定性,应将晶体的环境温度控制在晶体谐振器的拐点附近,需要高精度控温电路。本文的控温电路采用了传统的桥式温度感知与调整方式,如图5所示,用功率管(V1)直接对晶体谐振器加热,采用这种方法,温度控制精度高,整体功耗低,避免了传统方式不必要的接触式热传导损耗。

图5 控温电路Fig.5 Temperature-controlled circuit

3.6 晶体谐振器选择

众所周知,机械振动影响晶体振荡器相位噪声,作为振荡电路中的关键元件,晶体谐振器的抗振能力举足轻重。资料表明,SC切晶体谐振器的振动灵敏度是FC切晶体谐振器的1/420,是AT切晶体谐振器的1/830,在抗振方面,SC切晶体谐振器具有明显的优势[2]。此外,SC切晶体谐振器还具有老化率小、相位噪声低、短稳好、热瞬变补偿等能力。本设计中选择SC切晶体谐振器。

3.7 抗恶劣振动环境设计

晶体振荡器工作在恶劣振动环境时,当各种振荡、冲击因素叠加达到一定程度后,会引起晶体振荡器输出频率发生偏移、相位噪声恶化等电气性能变化。为消除或减轻各种因素对晶体振荡器的振动影响,需采取必要的综合措施。

首先,在元件选择上,除了像晶体谐振器这样的特殊器件外,应尽可能选用表面贴装元件,避免使用引线元件。慎用电感,必须使用时,宜采用抗振能力更强的一体成型封闭式电感取代传统空心电感。

其次,在晶体谐振器内部支架设计上采用多支点带状支撑架技术,支架材料是使用高强度钢片,并用真空冷压焊密封,本文采用TO-5封装形式。安装到印制板时还通过点焊方式进一步固定本体。

再次,在外壳结构及安装方面,晶体振荡器外壳和底座采用轻质铝合金材料,印制板经过绝缘子后焊接,其与底座之间适当填充特殊减振材料,然后固定于底座,完成终调之后,底座与外壳灌封。

4 电路仿真设计

本文中研制的晶体振荡器采用了射频模拟电路,电路的尺寸非常小,指标要求高,为了提高设计的准确性,缩短研制周期,利用射频仿真工具ADS(Advanced Design System)提供的谐波平衡分析功能对电路进行了谐波失真和相位噪声仿真设计[3]。图6和图7是晶体振荡器仿真设计图形。其中,图6为反复调整元件参数后仿真的幅度与谐波抑制曲线,图7为确定最终元件参数后仿真分析得出的相位噪声曲线。

图6 幅度及谐波抑制仿真曲线Fig.6 The simulation plot of amplitude and harmonic suppression

图7 相位噪声仿真曲线Fig.7 The simulation plot of phase noise

由图 6可见,晶振输出幅度仿真结果为11.688dBm,谐波抑制达到36.5dB。由图7可见,晶振相位噪声仿真结果为-161.6dBc/Hz@1kHz。

5 研制结果

基于仿真分析,我们研制出了200MHz高频晶体振荡器。图8是所研制晶体振荡器使用PN8010相噪测试系统实测相噪曲线。

图8 相位噪声测试曲线Fig.8 The test plot of phase noise

比较图 7与图8可见,仿真曲线在输出频率100 Hz以内较实测曲线优15dB左右,在100 Hz以远基本优于20dB。初步分析这是由于晶振输出频率较高,电路分布参数难以准确得到,并且晶体谐振器的模型也可能有一定的偏差,从而导致仿真结果与实测数据存在一定差距。值得欣慰的是,在输出功率、谐波抑制上实测数据与仿真结果保持高度一致。

由图8可见,在偏离载频1kHz处相位噪声优于-145dBc/Hz,而偏离载频1kHz以远相位噪声未能表现出更佳的性能,可能受到测试所用参考信号源的相位噪声基底的限制。

表1是200MHz晶体振荡器主要技术指标设计要求值与实际测试值的对照表。由表可知,本文研制的晶体振荡器技术指标均优于用户要求,在抗振性能方面尤其突出。

表1 晶振技术指标对照表Table 1 The cross tabulation of technical specification of the crystal oscillator

6 结束语

无论是实验室测试还是最终用户反馈使用效果都表明,本文采用的研制方法是有效的。在研制中发现,高频晶体振荡器调试工作量远大于相同指标的低频晶体振荡器,具有较强的经验性。我们在降低调试工作量上进行了一些尝试,取得了不少进展,但没有质的突破,还有相当可观的挖掘空间。

另外,随着频率的继续上升,分布参数的影响进一步凸显,高频特别是超高频晶体振荡器的研制难度将呈急剧攀升之势。而从市场角度而言,在一些特殊领域高频振荡器却有着极其旺盛的需求。所以,如果开展300MHz甚至更高频率的晶体振荡器研制,会是一件非常有意义的事。

[1] 杰克R史密斯.现代通信电路[M].2版.庞坚清,译.北京:人民邮电出版社,2006.Jack R Smith.Modern Communication Circuits[M].2nd ed.Translated by PANG Jian-qing.Beijing:People′s Posts and Telecom Press,2006.(in Chinese)

[2] 赵声衡,赵英.晶体振荡器[M].北京:科学出版社,2008.ZHAO Sheng-heng,ZHAO Ying.Crystal oscillator[M].Beijing:Science Press,2008.(in Chinese)

[3] 陈艳华,李朝晖.ADS应用详解[M].北京:人民邮电出版社,2008.CHEN Yan-hua,LI Zhao-hui.The detailed explanation of ADS application[M].Beijing:People′s Posts and Telecom Press,2008.(in Chinese)