李冬強(qiáng) 胡寶浩 高志祥 王妍

（南京中電熊貓晶體科技有限公司，江蘇南京 210038）

0.引言

科學(xué)技術(shù)的快速進(jìn)步使得軍事、雷達(dá)與通信等領(lǐng)域迅速發(fā)展，恒溫晶振作為各個(gè)電子設(shè)備的關(guān)鍵元器件，整機(jī)的性能指標(biāo)在一定程度上被它決定。晶振有一個(gè)非常關(guān)鍵的指標(biāo)，那就是相位噪聲指標(biāo)，它是影響信號(hào)源的關(guān)鍵因素之一。因此設(shè)計(jì)研發(fā)低相位噪聲恒溫晶振有著廣闊的前景。

1.理論分析及設(shè)計(jì)方法

1.1 晶振中的噪聲

由于電噪聲的存在使晶振產(chǎn)生了隨機(jī)性抖動(dòng)，所以電路內(nèi)部電噪聲的幅度決定了晶振頻率的短期穩(wěn)定。依據(jù)不同的形式噪聲形成原理，電噪聲大致可以分為熱噪聲、閃變?cè)肼?、散彈噪聲以及爆裂噪聲[1]。散彈噪聲與熱噪聲均屬于白噪聲，它們的功率譜密度和頻率無(wú)關(guān)。熱噪聲由于電子之間熱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的，而散彈噪聲主要是由元件中電子的隨機(jī)發(fā)射與載流子分離、復(fù)合所產(chǎn)生的，這兩種噪聲決定電感等了相位噪聲的基底。閃變?cè)肼暸c頻率成?-1的關(guān)系，爆裂噪聲則與頻率成?-2的關(guān)系。

1.2 諧振器的Q值對(duì)晶振相位噪聲影響

Haj和同事門(mén)提出了線性時(shí)變的噪聲模型[2]，利用提出的脈沖敏感函數(shù)分析電路中的噪聲源。周期性平穩(wěn)噪聲源來(lái)自振蕩器中器件電路的周期特性，它存在于大部分的振蕩器中，而時(shí)變特性能很好的處理它。因?yàn)槿魏握袷幤鞫际且粋€(gè)周期變化的時(shí)變系統(tǒng)，該模型能精確考慮振蕩電路的時(shí)變特性。該模型雖然不夠準(zhǔn)確，但足以提供直觀的相位噪聲優(yōu)化方向。圖1給出了晶體振蕩電路的噪聲小信號(hào)分析模型，振蕩電路的噪聲源可以分為兩大類，一類是來(lái)自于晶體諧振器的噪聲電壓，表示為4TKRS，一類來(lái)自電路負(fù)阻產(chǎn)生的噪聲電壓，表示為4KTγRSγ是有源器件的額外噪聲系數(shù)。在穩(wěn)定振蕩時(shí)，電路阻抗的實(shí)部負(fù)阻同晶體的串聯(lián)電阻RS相抵消，于是諧振回路的阻抗可以表示為：

圖1 晶體振蕩電路的噪聲小信號(hào)分析模型

其中，C是Cs和Cp的串聯(lián)等效:

計(jì)算阻抗在諧振頻率附近時(shí)的表達(dá)式，將ω=ω0+Δω代入式，考慮到諧振頻率:

其中，Q是晶體的品質(zhì)因素。環(huán)路的噪聲電流為

噪聲影響分為幅度噪聲和相位噪聲，兩者的貢獻(xiàn)是相等的。于是得到相位噪聲的功率譜密度：

上式指出了相位噪聲和有源器件噪聲系數(shù)，諧振回路Q值以及晶體功耗Pm之間的關(guān)系。功耗越大，Q值越高，相位噪聲越好。所以本文選用自身Q值高的諧振器，是低相位噪聲晶振設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1.3 放大器的噪聲

振蕩器中的電阻、電容、電感等和三級(jí)管這些元器件都存在噪聲，其中三極管噪聲的影響是最最大的。任何實(shí)際的放大器都可以用一個(gè)無(wú)噪聲的放大器和接在其輸入端的等效噪聲發(fā)生器來(lái)表示。使用和測(cè)量都很方便的等效噪聲發(fā)生器是一個(gè)與放大器輸入端并聯(lián)的噪聲電流發(fā)生器In和一個(gè)與輸入端串聯(lián)的噪聲電壓發(fā)生器En，如圖2所示[3]，圖中Vs為信號(hào)源電壓有效值，Rs的熱噪聲電壓均方根值，Zi為放大器輸入阻抗，Eno為放大器輸出噪聲的均方根，Vso為輸出信號(hào)的有效值。

圖2 放大器的En-In噪聲模型

本文采用超級(jí)低噪聲的7sXX04門(mén)電路芯片作為放大器，對(duì)于3dBM的10MHz輸入信號(hào)，它的增益大約為8db，噪聲惡化指數(shù)非常的低，多次驗(yàn)證其噪聲惡化不到0.2db。

放大電路的原理如圖3所示。10MHz信號(hào)經(jīng)電容耦合到7sXX04門(mén)電路芯片，用一個(gè)高阻值的電阻將該門(mén)的輸出反饋到輸入端。由于輸出與輸入端電位相反，引入該電阻就構(gòu)成了負(fù)反饋電路。此設(shè)計(jì)思路一方面使放大電路增益更穩(wěn)定，減少非線性失真，抑制環(huán)內(nèi)噪聲，提高信噪比；另一方面起著上下拉電阻的作用，增強(qiáng)輸入輸出能力。

圖3 放大器電路圖

1.4 電源電路

電源PIN腳上的噪聲或紋波將使任何振蕩器的相位噪聲性能產(chǎn)生惡化。電源電壓的變化將改變射頻電壓限幅條件、諧波成分、電抗負(fù)載和輸出頻率。因此恒溫晶振內(nèi)部必須具有一款低相位噪聲、低紋波的LDO。

本文設(shè)計(jì)電源電路使用了LT3045穩(wěn)壓器，如圖4所示，LT3045是一種高PSRR低壓差的LDO，具有LTC特色的超低噪聲和超高電源抑制結(jié)構(gòu)，為噪聲敏感應(yīng)用供電。LT3045輸出電源范圍寬（0V～15V），同時(shí)提供幾乎恒定的輸出噪聲、電源抑制比、帶寬和負(fù)載調(diào)節(jié)具有獨(dú)立的編程輸出電壓。

圖4 電源電路設(shè)計(jì)圖

2.其他部分電路的設(shè)計(jì)

2.1 選頻網(wǎng)絡(luò)

選頻網(wǎng)絡(luò)電路圖如圖5所示，調(diào)節(jié)其中電容值與電感值，使選頻網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率為10M的70%～80%，保證10M在被選的范圍內(nèi)。

圖5 選頻網(wǎng)絡(luò)電路圖

2.2 調(diào)頻電路

圖6所示電路為本文設(shè)計(jì)晶振的調(diào)頻電路，通過(guò)調(diào)整電路中電感值與電容值，便可以調(diào)節(jié)晶振的輸出頻率，使晶振初始精度滿足要求。

圖6 調(diào)頻電路

2.3 恒溫槽電路

恒溫槽電路主要是自主設(shè)定槽內(nèi)溫度，使用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻配合Rail to Rail的運(yùn)放形成平衡橋，使得溫度恒定在設(shè)定點(diǎn)。一般將恒溫槽的溫度設(shè)定在晶體的FL處，因?yàn)樵贔L處晶體的頻率溫度曲線最為平緩，即使有微小的溫度擾動(dòng)對(duì)晶振的頻率穩(wěn)定性響也不大。由于在低溫時(shí)的拐點(diǎn)受外界環(huán)境的影響比較大，溫度控制電路不容易設(shè)計(jì)，因此選擇高溫拐點(diǎn)處的溫度進(jìn)行控制。

直放式控溫電路是本文所采用的控溫電路，它具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，方便的調(diào)試方法等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然也存在零漂，影響槽溫的穩(wěn)定這些缺點(diǎn)[4-5]。

如圖7所示，本文的控溫電路使用3個(gè)電阻與一個(gè)熱敏電阻組成一個(gè)電橋電路，利用該電路可控制恒溫槽內(nèi)部的溫度，電路中使用了一個(gè)運(yùn)算放大器，它的正極與負(fù)極與電橋電路的兩端相連接，它的輸出端與加熱功率管連接，當(dāng)它的正極電壓與負(fù)極電壓不相等時(shí)，便會(huì)輸出一定的電壓值，此時(shí)三極管工作在線性放大區(qū)，實(shí)現(xiàn)了加熱功率管作用。

圖7 恒溫槽電路

剛通電時(shí)，電橋電路未達(dá)到平衡狀態(tài)，運(yùn)算放大器的輸出端輸出的電壓V4比較大，導(dǎo)致有較大的電流流過(guò)三極管，此時(shí)恒溫槽開(kāi)始加熱，恒溫槽的溫度開(kāi)始漸漸升高，漸漸升高的溫度導(dǎo)致熱敏電阻的阻值開(kāi)始減小，V4開(kāi)始漸漸變小，流過(guò)三極管的電流開(kāi)始變小，當(dāng)槽溫達(dá)到拐點(diǎn)溫度時(shí)，電路達(dá)到平衡。但晶振電路中所有器件的=具有散熱性能并且三極管具有加熱慣性，這會(huì)導(dǎo)致恒溫槽的溫度會(huì)一直波動(dòng)，最終晶振電路槽溫會(huì)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

2.4 激勵(lì)電路

與諧振器電路串聯(lián)電阻，調(diào)節(jié)電阻阻值便可以調(diào)節(jié)電路中的激勵(lì)電流，從而調(diào)整晶振的相位噪聲，本文設(shè)計(jì)將電阻值調(diào)大，擁有小激勵(lì)電流，使近端相位噪聲變好。

2.5 濾波電路

本文設(shè)計(jì)在輸出端加了一個(gè)帶通濾波電路，使振蕩電路與輸出端有效隔離，減小負(fù)載變化對(duì)主振狀態(tài)的影響，同時(shí)提高輸出信號(hào)的頻譜純度，還可以改變輸出波形。

3.測(cè)試結(jié)果

通過(guò)測(cè)試，得知產(chǎn)品在偏離載頻1Hz、10Hz、100Hz、1kHz與10kHz的相位噪聲分別為115dBc/Hz、140dBc/Hz、155dBc/Hz、165dBc/Hz和170dBc/Hz，從測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出，本次10M低相位噪聲晶振設(shè)計(jì)的思路是合理的，具有先進(jìn)的技術(shù)，本次設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到了較高水平。