试析新型二次补偿恒温—温补晶振的设计

张萱

摘 要：随着时代的进步与科技的快速发展，当前通信技术对晶振在环境温度发生变化条件下的稳定性要求越来越高。其中在10MHZ频率使用情况最为普遍，这是围绕表面贴装器件封装的压控温补晶振来具体操作的，具体就是采用恒温控制加二次补偿方案的温补晶振。本文将会着重阐述使用该方法的设计以及测试，希望能够得到一些借鉴和参考。

关键词：二次补偿；晶振；稳定性；恒温控制

大家都知道的是，当前能够影响石英晶振稳定性的主要因素有温度、电压以及晶体老化等等。其中以温度的影响程度最大。就目前而言最为常见的晶振包括模拟补偿晶振、数字补偿晶振和微机补偿晶振三种。数据显示，传统的模拟补偿晶振频率温度稳定度可达1*10-6，而且相位噪声优良，但是因为热敏网络结构限制通常占据很大体积。数字补偿晶振频率温度稳定度可达2*10-7，其相位噪声不佳，但是体积小。一般而言，传统的恒温晶振由于功率消耗较大，采用的是5V供电，最大电流甚至超过300毫安。下面主要是为大家介绍10MHZ，体积为双列直插式的压控温补晶振为核心，采用恒温控制加二次补偿的方案（3.3V供电）。

一、整体结构的具体设计

现阶段，二次补偿恒温-温补晶振主要由四个部分共同组成：温补网络（简易），压控温补晶振，方波输出和恒温网络。具体地说，首先使用恒温网络恒温控制压控温补晶振，尽可能缩小压控温补竞争的实际工作区域，最大限度的优化频率温度稳定性。然后使用温补网络结合压控端电压频率的控制关系，根据实际情况输出合适的压控电压，从而对恒温后的压控温补晶振加以二次补偿，最终让频率温度稳定度达到最优状态。

二、关键技术的使用

（一）合理选择SMD压控温补晶振

前面已经提到，此方案采用的是简易型温补网络进行二次补偿方式，其网络输出的电压为单调趋势的线性电压，为了满足使用的需要，就必须要求恒温后的压控温补晶振温度频率曲线必须也是单调线性，不允许有拐点的存在。除此之外，由于数字补偿的温度曲线非连续线性曲线，一定要使用模拟补偿的压控温补晶振，而且受到尺寸上的严格限制，经过无数次的测试，最好的选择就是SMD32*25压控温补晶振。

（二）选择网络补偿

结果表明，经过恒温加热的压控温补晶振，在-20摄氏度至70摄氏度范围内工作的条件下，其温度频率特性得到很大程度的改善，在正常情况下能够很好的满足二次补偿，该设计选用的是简易温补网络，具体设计如下图（图1）所示。

从上图我们可以清楚地看到，由电源供电，经过稳压模块输出一个较为稳定的工作电压，然后经电阻R1，R2进行分压。再根据所选用压控温补晶振的压控频率斜率关系，实际测量的温度频率特性曲线的变化趋势一目了然（恒温后），此时选择适当的B值热敏电阻，同时调整固定值电阻R3、R4、R5、R6输出一组趋势单调的反向线性电压，最终得到准确无误的二次补偿。另外，经过补偿后的恒温-温补晶振在-20摄氏度至70摄氏度范围内稳定度明显优于5*10-8。

（三）合理选择恒温控温电路

进过反复的测试发现，在-20摄氏度至70摄氏度范围内压控温补晶振温度频率特性曲线具有很强的连续性并且存在多个拐点，尤其是在超过60摄氏度以后会呈现单调上升趋势，这就能够符合该设计二次补偿的条件，此时应当采用恒温加热的方式最大限度的缩小实际工作的温度区间。等到通电后，热敏电桥会在瞬间产生较大的失衡输出电压，功率管立即处于加热功率的最大值。而且电桥失衡电压会伴随着晶振内部温度不断上升而逐渐减小，待加热到所需控制温度时，电桥的平衡输出电压会维持在一个固定值上，控温电路通过平衡加热，此时产生的热量与损耗的热量保持一致。如果外界温度发生了变化，热敏电阻阻值必然随之发生变化，电桥相对平衡输出电压也一定会发生改变，此时相关工作人员应当通过调整电流和电压来修正晶振内部的温度变化。

（四）调试补偿网络

观察发现，该设计所选用的SMD压控温补压控晶振的斜率为正值，此时压控频率拉动关系为+0.05V或者+0.38HZ，经过恒温控制后的温度频率特性曲线为单调上升（线性），在这种情况下业界人士应当第一时间将热敏电阻RT1弃用，转而选择RT2的统一规格，从而设定R3、R4、R6的估值电阻准确的计算出R5阻值（反向电压曲线后）。

三、结语

綜上所述，随着现代通信技术的迅猛发展，传统的二次补偿恒温-温补晶振的设计必须要有所改变。我们从测试结果可以清楚的看到，采用恒温控制加二次补偿的方法能够将温度频率稳定度有效控制在5*10-8范围内。但是需要特别提醒的是，该方案没有采用单片机，这将会在很大程度上降低成本投入，而且又兼具体积小和功耗低的明显优势（相比恒温晶振而言）。另外，相关工作人员在选择压控温补晶振的过程中，为了最大限度的满足恒温控制以及二次补偿的条件，必须使其压控频率特性以及温度频率特性保持高度的一致。这样就可以很好的弥补传统温补晶振的不足，更好的满足市场需要。

参考文献：

[1] 陈晔，汪春晖.新型二次补偿恒温-温补晶振的设计[J].计算机与网络，2014.

[2] 法帅，刘兰军.一种高精度温度补偿晶振自动标定与测试系统设计[J].中国科技论文，2015.