高稳恒温石英晶体振荡器设计*1

熊 琦，曾健平

(1.湖南工业职业技术学院，湖南 长沙 410082；2.湖南大学物理与微电子科学学院，湖南 长沙 410012)

高稳恒温石英晶体振荡器设计*1

熊 琦1，曾健平2

(1.湖南工业职业技术学院，湖南 长沙 410082；2.湖南大学物理与微电子科学学院，湖南 长沙 410012)

通过对振荡器主振电路及控温电路的工作原理和设计思想的分析，设计了中心频率为50 MHz的小型高稳恒温石英晶体振荡器.振荡器的主振级采用皮尔斯并联电路，控温电路采用直放式连续温度控制电路，并改进了恒温槽结构，采用功率管槽内加热实现晶体的小型化.对试制样品的老化率、频率稳定度等进行了测试，得到了晶体振荡器的测试数据，与理论值相符.

高稳定度；小型化；振荡器；主振电路；恒温槽

石英晶体振荡器是目前精确度和准确度最高的振荡器，被广泛应用于移动电话系统、远程通信、卫星通信、全球定位系统(GPS)、导航、遥控、航空航天、高速计算机、精密计测仪器及消费类民用电子产品中，作为标准频率源或脉冲信号源提供频率基准，是其他各种类型的振荡器无法取代的.在各种类型的石英晶体振荡器中，虽以恒温型晶体振荡器的体积最大，但由于其具有非常优越的性能，应用也非常广泛，目前其需求量日益增长，要求也更高.

笔者设计了一种中心频率为50 MHz的小型恒温晶体振荡器.相关文献研究表明，共射低频电流放大倍数β0不宜过大，否则难以提高振荡器的频率稳定度[1]；稳压部分选用温度特性好的稳压二极管[2]；温控电路由热敏电阻组成的电桥、直流电压放大电路及功率放大电路等构成[3].绝热保温材料设计中，银膏胶封热敏电阻与恒温槽体紧密接触，是直放式恒温槽用于恒温控制行之有效的方法[4].当保温层厚度减少后，晶振的频率温度特性并无恶化.[5-6]文中对主要技术指标进行测试，结果表明，所设计的振荡器具有频率高、稳定度好等特性.

1 系统电路设计

1.1振荡电路设计

图1 电路结构

晶体振荡电路由主振电路、谐波抑制电路、电压放大和输出波形变换电路组成，其原理电路构成如图1 示.

图2为主振电路的原理图.主振电路选用扁平塑封晶体管、小型金属膜电阻和微型分立式电容安装的分立元件，器件选用时兼顾了零配件件的国产化、性能价格比以及晶振小型化等问题.

图2 主振电路原理

电路中采用标称频率为50 MHz、AT切的金属冷压焊封装的晶体谐振器.图2中的主振电路采用皮尔斯并联电路，由晶体管T1、晶振以及电容Ct，C1，，C2，Cx组成.设计中选用足够高的特征频率fT，较小的共射电流放大倍数β0晶体管(过大的β0值不利于提高振荡器的频率稳定度).因此，只要保证了晶振起振，C1和C2应尽可能选取较大值，以便掩盖晶体管结电容及其他杂散电容带来的不利影响，同时还可以减小电阻R1，R2折算到与谐振器串联的等效电阻，保证谐振器有较高的在线Q值.为了获得更高的谐振器在线Q值，更好的频率稳定度，选取电容值较大的Ct，但Ct过大会使振荡器的频率很难校准到标称频率，每级晶体管集电极电源须接0.01 μF电容去耦.

电阻电位器Rx，R1及R2构成分压电路，其分压使变容二极管正常工作.变容二极管的容值随分压而改变，振荡电路的频率也随之改变，因而调整可变电位器Rx能够手动校准频率.调谐回路由变容二极管Cx、电阻R1，R2和电位器Rx构成.在稳压电路中选用温度特性良好的稳压二极管，以取代温度特性较差的三端稳压器.理论研究与实验测试表明，要很好地改善晶体振荡器的温度特性，就在电阻R1并联1个正温度系数热敏电阻Rt.此外，在调试的过程当中，若测试到电路的振荡频率并不在上边频和下边频的中心位置时，即可调整这个正温度系数热敏电阻Rt来获得改善.

笔者通过合理的设计和布局，将图2中虚线框所示的振荡电路和前2级幅度放大器集成到一块PCB板上，并置于恒温槽中，更大程度地提高了幅度放大器的温度稳定性，同时又避免了恒温槽体积的增加.这种改进使得在不采用AGC(自动增益负反馈)电路的情况下，晶振的长期和短期频率稳定度没有明显的差别，有利于晶振的小型化.集成块6321具有倍频和波形变换作用，由于文中采用50 MHz晶体，故无须倍频即可满足要求.振荡电路的噪声主要来自电路中的有源元件.为减少这些噪声，通常采用稳定的电源和理想的输出策略，适当加宽电源线可减小环路电阻.电源线、地线的走向和数据传递方向一致，也有助于增强抗噪能力.同时，为了减小噪声从振荡器泄漏出去和噪声从其他设备进来，电源上通常采用旁路电容.一般选用的旁路电容为0.1 μF或4.7 nF，该电容对基频的3次泛音有一定的吸收作用，并能改善振荡波形，抑制电源线抖动所带来的影响.此外，晶振的外壳必须接地，加粗接地线也是增强石英晶体谐振器抗干扰能力的重要措施之一.

1.2恒温电路设计

图3 控温电路原理

采用单层恒温槽及直放式连续温度控制电路进行恒温电路设计，该控温电路具有补偿零点漂移性能的特点.恒温槽利用功率放大管的管耗进行加热，以充分利用电源效率.温控电路的结构由热敏电阻电桥电路、直流电压放大和功放电路组成，其电路如图3所示.

图3中的控温电桥网络由电阻R1，R2，热敏电阻Rt及拐点电阻Rx构成，直流电压放大器由集成运放构成，恒温槽由功率管管耗提供热量.其工作原理如下：当恒温电路通电后，当其恒温槽温度没达到晶体拐点温度时，电桥将有一个较大的失衡电压输出，使温控电路处于大电流加热状态，功放管功率最大，恒温槽内温度上升；当恒温槽内的温度上升，电桥电路的输出失衡电压就下降，功率管的管耗下降，直到恒温槽加热到所需要控制的温度，温度控制电桥输出的电压维持不变.与此同时，流过功率管电流最小，恒温控制电路处于最小的加热功率状态，此时恒温控制电路处于热平衡状态，恒温槽的温度发生变化，热敏电阻阻值随之变化.即：T↑→Rt↓→+V↓→Vo↓→I↓→T↓.由此可见，保持槽内恒温，可以根据热敏电阻阻值随温度的变化来调整恒温槽内的温度.

1.3恒温槽设计

要使恒温槽实现控温，首要，减小恒温槽热量的散失，提高其绝热性能.其次，尽量减小体积，以缩小传热面积.文中采用导热系数仅为0.02 W/(m.k)左右硬质聚氨酯泡沫塑料作为保温层材料，其易于加工，能很好的达到绝热的目的.由于恒温槽通电加热后其加热电流在某一值附近作长时间的周期性波动，所以为解决该热振荡的问题，减小恒温槽热量的散失，使用绝热性能良好的保温材料(银膏胶封热敏电阻)，使它与恒温槽体接触良好.实践证明，为达到更好的恒温控制效果，把热敏电阻放置在功率管的外侧比较适宜.

为了尽可能的减小晶振体积，文中设计过程中削减了保温层的厚度.理论分析和实践结果表明，即使保温层厚度减少，晶振的频率温度特性并没有恶化.在保温层厚度减小后，晶振的表面积又随之减少，晶振向外辐射的热量与表面积成正比，晶振通过保温层向外传导的热量与保温层的厚度成反比.减少保温层厚度所产生的2个结果互相抵消.整个恒温晶体振荡器的结构如图4所示.

图4 恒温晶体振荡器结构

2 测试结果

依照上述原理及设计原则，笔者设计的50 MHz小型恒温晶体振荡器，其外型尺寸为35 mm×35 mm×13 mm.在试制的产品中随机抽取了10只样品，对主要技术指标进行测试，其指标范围如表1所示.测试结果与理论值相符.

表1 中心频率为50 MHz的晶振器的主要技术指标

3 结语

采用皮尔斯并联主振电路结构和精选元器件，通过细调恒温电路拐点和恒温槽结构，完成了50 MHz的高稳恒温石英晶体振荡器设计.测试结果表明,笔者设计的晶体振荡器具有频率高、稳定度好、体积小和重量轻等特点,能够满足客户对小型化超高频高稳晶振的需要.该晶振应用到光纤通信及雷达等设备中,可以提高设备的可靠性,缩小其体积,减小其功耗,具有较为显著的经济效益和社会效益.

[1] 赵声衡.石英晶体振荡器[M].长沙：湖南大学出版社，1997.

[2] 翁寿松.压控晶体振荡器及其调频变容二极管[J].半导体情报，2000(4)：14-17.

[3] 曾健平，陈迪平，曾 云，等.直流式温控电路零漂的补偿[J].半导体情报，1998(6)：50-53.

[4] 邹金林，李少平.恒温晶体振荡器失效机理及分析诊断[J].电子产品可靠性与环境试验，2006(8)：22-23.[5] 赵声衡．精密恒温槽原理[M].长沙：湖南科学技术出版社，1991.

[6] 詹志强，陆福敏.数字通信仪器高稳时基日老化率的简单测量方法[J].宇航计测技术，2006(2)：54-59.

(责任编辑 陈炳权)

Designof50MHzHignStabilityOCXO

XIONG Qi1,ZENG Jianping2

(1.Hunan Industry Dolytechnic,Changsha 410082,China;2.College of Physics and Micro Electronics,Hunan University,Changsha 410012,China)

Through the analysis on the oscillating and temperature controlled circuits,a 50 MHz high stability miniature OCXO (Oven Controlled X tal Oscillator) is designed.The Pierce parallel circuit and the DC thermostatic circuit are used respectively as the oscillating circuit and temperature controlled circuit.The structure of oven is improved for smaller size and the measurement results of some simples are given in the end.

high stability;miniature;oscillator;oscillating circuit;oven

1007-2985(2014)04-0043-03

2014-03-21

湖南省教育厅科学研究项目(13C199)

熊 琦(1957-)，男，湖南湘阴人，湖南工业职业技术学院教授，硕士，主要从事射频器件与集成电路研究.

TN384

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2014.04.010