基于小型化超低短稳高稳定度恒温晶振的设计

郭 旺

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050000）

1 引言

恒温晶体振荡器是目前频率稳定度和精确度最高的晶体振荡器。它作为高精密稳定的信号源被应用在各种类型的通信领域中，如军事领域中的雷达和通信导航、工业领域的测量设备和调制解调器、汽车领域的传感器和GPS 应用等。恒温晶振的设计就是利用高Q 值、低老化的晶体谐振器和合理的恒温槽布局来达到低老化、高稳定的指标技术，进而保证其在各类通信系统中的应用要求。而短稳是恒温晶体振荡器一项非常重要的指标，它的指标的提高对各类通信系统的最终性能会有很大提升，如超低的短稳能够降低通信系统中的误码率，在测试设备中能够提高系统的测试精度。本文所阐述的恒温晶振所能够达到的上述指标有：温度特性：＜±0.1ppb/-40～+85℃；老化特性：＜±0.1ppb/日；短稳：0.0005ppb/s。

2 电路设计

恒温晶振的电路设计分为振荡电路（主振电路）和控温电路两个部分。

2.1 主振电路的设计

振荡电路的设计有串联晶体振荡器和并联晶体振荡器两种。并联型晶体谐振器电路是晶体接在反馈网络中，并与电路中其他电抗元件构成并联谐振回路；在串联型晶体电路中，晶体与负载电容串联，工作时呈纯阻性。为了便于可生产性和调试方便等原因，本文采用了并联振荡电路的共集柯尔匹兹电路形式，主振电路图见图1。

图1 主振电路

D.B.Leeson 曾经提出的关于反馈振荡器的简单噪声模型与实际情况具有非常好的符合性，因此被广泛应该于振荡器噪声的分析中。故当主振电路确定好之后，我们将在以下方面提高老化和短期稳定度指标：

（1）采用高Q 值的晶体谐振器，并尽快能的来加大主振电路的有载Q 值。

（2）采用低噪声的晶体三极管，设置适当的晶体管偏执电压和较低的工作电流，如适当调整R19、R20、R29。

（3）合理选择辅助电路形式和参数，如电源滤波采用二次稳压及低噪声的稳压器。

通过以上三个方面的设计和参数调试，主振电路部分能够实现晶振的低老化和超低短期稳定度的要求。

2.2 控温电路的设计

为了能够尽量降低环境温度波动引起的频率稳定度的恶化以及实现低短稳高稳定度的指标要求，本设计采用了双层恒温槽的控温方式。内外两层恒温槽控温电路均选用直接放大式连续控温电路，直接放大式连续控温电路工作于直流状态，受外界干扰小，电路简单，易于实现小型化设计。双层恒温槽设计的关键是优良的保温性能和合理的结构形式。优良的保温性能可以降低加热功耗和稳定功耗，降低环境温度波动对控温精度的影响；本设计将主振电路、晶体谐振器、热敏电阻和加热功率管都放在内层恒温槽内，这样能够保控温精度。外层控温槽主要控温电路和微处理器，微处理器用来采集内槽的控温状态以及控制内外槽槽温。

3 测试结果

由于本文设计的产品短稳已经达到了5*10e-13的数量级，普通设备的测量精度已经无法达到要求。所以建议采用测试精度较高的测试设备和参考源，如本次实验的测试设备为5125A，参考源为高稳定度的DBV-10M 参考源。经过前期的实验和参数的调整，测试结果如下图2和图3：

图2 短期稳定度测试结果

图3 频率温度特性测试结果

4 结束语

本文主要介绍了一款基于超低短稳和高稳定度恒温晶振的设计思路，设计过程中通过关键元器件的选型、电路参数的优化、控温槽的合理布局，以达到低短稳高稳定度的指标要求，最终经过实验验证了该设计思路的可行性和可量产性，同时做到了小型化，能够满足市场的需求，具有广阔的市场需求。