晶振是各整機(jī)電子設(shè)備的核心部件，它在一定程度上決定著整機(jī)的性能指標(biāo)。晶振的相位噪聲指標(biāo)是影響信號(hào)源的關(guān)鍵因素之一，對(duì)整機(jī)設(shè)備的性能參數(shù)有著重要意義，也是晶振非常關(guān)鍵的指標(biāo)。本文介紹了一種小型超低相噪恒溫晶振的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)闡述了有載品質(zhì)因數(shù)(Q)值、電路結(jié)構(gòu)等對(duì)相噪的影響，并基于改進(jìn)型的巴特勒振蕩電路在小體積下進(jìn)行了超低相噪恒溫晶振的設(shè)計(jì)，對(duì)其主振電路、放大電路、穩(wěn)壓電路等進(jìn)行了概要的分析。
1.理論分析
在晶體振蕩電路中，三極管、二極管和電阻、電容、電感等元件都存在噪聲，其中以產(chǎn)生振蕩信號(hào)的三極管噪聲影響最大;而電感、電容等元件，在噪聲分析中，可近似為無(wú)噪聲元件口。在放大器上加正反饋元件構(gòu)成振蕩器時(shí)，噪聲將對(duì)振蕩器信號(hào)進(jìn)行調(diào)制而形成白噪聲調(diào)相、白噪聲調(diào)頻和閃變?cè)肼曊{(diào)相、閃變?cè)肼曊{(diào)頻等噪聲模式。
根據(jù)LESSON模型分析，晶體振蕩器的相位噪聲與晶體振蕩電路的有載品質(zhì)因數(shù)(Q)值密切相關(guān)，有載Q值越高，相位噪聲惡化的程度越低。因此在低相噪晶振設(shè)計(jì)中，通常圍繞如何提高有載Q值開展研究。晶體振蕩電路的有載Q值主要由振蕩電路中晶體諧振器自身Q值以及所采用的振蕩電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所決定。晶體諧振器自身的Q值受限于晶體制作工藝，不可能無(wú)限制提升，因此如何進(jìn)一步提升晶體諧振器在振蕩電路中的有載Q值是低相噪晶振設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
常用的晶體振蕩電路主要有并聯(lián)反饋型振蕩電路和串聯(lián)反饋型振蕩電路。并聯(lián)振蕩電路中，晶體諧振器工作在串、并聯(lián)諧振頻率之問(wèn)，晶體呈感性;常用的并聯(lián)振蕩電路包括皮爾斯電路和考畢茲電路。串聯(lián)振蕩電路是將晶體串聯(lián)在正反饋電路中，晶體諧振器工作在串聯(lián)諧振頻率，晶體呈純阻性。常用的串聯(lián)振蕩電路通常為巴特勒電路。
要提高晶體諧振器在電路的有載Q值，必須選取有載Q值匹配相對(duì)較好的振蕩電路形式。晶體的有載Q值為：
式中：L為晶體等效電感;R為晶體等效電阻;R為晶體負(fù)載電阻。
由于電路中的電阻損耗，電路中晶體諧振器有載Q值通常比晶體諧振器自身絕對(duì)Q值小。為使Q值損耗最小，應(yīng)盡量使晶體的R最小，以便整個(gè)電路的Q值不會(huì)因負(fù)載電阻而顯著惡化。在皮爾斯電路和考畢茲電路等并聯(lián)振蕩電路中，晶體分別接在三極管的集電極和基極，等效負(fù)載相對(duì)較大;而在巴特勒串聯(lián)振蕩電路中，晶體諧振器串接在發(fā)射極來(lái)提供高頻負(fù)反饋，等效負(fù)載電阻小，有載Q值相對(duì)于前兩種電路有一定優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，采用并聯(lián)振蕩電路還需要加入晶體諧振器的B模抑制網(wǎng)絡(luò)，會(huì)進(jìn)一步降低晶體諧振器Q值。因此，理論上高頻振蕩器采用串聯(lián)振蕩電路能達(dá)到比并聯(lián)振蕩電路更低的噪聲，在電路中具有良好的有載Q值。
2.仿真分析
電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定后，在參數(shù)設(shè)計(jì)上，需進(jìn)行充分的仿真驗(yàn)證。對(duì)晶體振蕩器設(shè)計(jì)的仿真，重點(diǎn)要解決晶體諧振器和晶體管的建模問(wèn)題，其次就是對(duì)振蕩電路結(jié)構(gòu)的選擇，從而對(duì)晶體振蕩器的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真分析，并對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
依據(jù)理論分析，為保證低相位噪聲水平，振蕩電路選擇了有載Q值良好的巴特勒串聯(lián)振蕩電路。在巴特勒電路中晶體串接在主振放大器的發(fā)射極，它提供高頻負(fù)反饋，而接在電路輸出端的電容分壓器提供正反饋。晶體諧振器在振蕩電路中工作在自身的串聯(lián)諧振頻率上，起到對(duì)諧振頻率進(jìn)行高(選頻的作用)。巴特勒振蕩電路的交流等效圖如圖1所示。
圖1 等效電路圖
采用仿真手段，對(duì)上述振蕩電路進(jìn)行仿真分析。圖2為采用諧波平衡仿真分析得到的相噪仿真結(jié)果。
圖2 相位噪聲仿真結(jié)果
結(jié)合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，我們對(duì)巴特勒電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將振蕩信號(hào)直接從石英諧振器引出，這樣可以充分利用晶體諧振器的高Q值選頻特性。改進(jìn)后的巴特勒振蕩電路交流等效圖如圖3所示。
圖3 改進(jìn)型等效電路圖
采用仿真工具，對(duì)改進(jìn)型的巴特勒電路進(jìn)行了分析，通過(guò)參數(shù)優(yōu)化，得到的相噪仿真結(jié)果如圖4所示。
圖4 改進(jìn)型相噪仿真結(jié)果
由圖4可看出，采用該改進(jìn)型巴特勒結(jié)構(gòu)的振蕩電路，相位噪聲有明顯改進(jìn)。在產(chǎn)品實(shí)際設(shè)計(jì)中，會(huì)受到部分不確定附加噪聲的影響，相噪結(jié)果會(huì)與仿真分析存在偏差，但仿真分析仍然為產(chǎn)品的實(shí)際研制起到了一定的指導(dǎo)作用。
3.產(chǎn)品研制
3.1器件選型
在低相噪晶振設(shè)計(jì)中，器件選型是關(guān)系設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵因素之一，特別是對(duì)晶體諧振器、三極管等關(guān)鍵器件的選擇。
在晶體諧振器的選擇上，對(duì)于切型、Q值、泛音次數(shù)、頻差、零溫度系數(shù)點(diǎn)(即拐點(diǎn))、靜態(tài)電容、等效電阻等參數(shù)都要進(jìn)行慎重考慮和正確選取，特別是在本文低相噪設(shè)計(jì)中，為保證電路中的高有載Q值，對(duì)晶體諧振器Q值的選擇尤其重要Es3。通過(guò)綜合考慮，本文選用了具有更高Q值和穩(wěn)定性的SC切5次泛音高Q晶體諧振器。
在三極管的選擇上，本文重點(diǎn)考慮了噪聲系數(shù)，并兼顧高增益、低溫漂、小封裝等要求，噪聲系數(shù)<1最為理想。
在其他器件的選擇上，在滿足封裝要求的前提下，均重點(diǎn)考慮低噪聲的要求。
3.2電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中電路組成框圖如圖5所示。
圖5 晶振電路組成框圖
(1)振蕩電路
傳統(tǒng)的巴特勒結(jié)構(gòu)電路將晶體諧振器連接在反饋回路中，振蕩模式較復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy。本文對(duì)傳統(tǒng)巴特勒電路進(jìn)行改進(jìn)(見(jiàn)圖3)，將振蕩信號(hào)直接從晶體諧振器引出，通過(guò)合理的電路及參數(shù)設(shè)計(jì)，可使輸出信號(hào)具有極低的相位噪聲。
(2)穩(wěn)壓電路
晶體振蕩器對(duì)電源線上的噪聲尤其敏感，特別當(dāng)晶振調(diào)諧范圍較寬時(shí)，因此低噪聲晶振振蕩電路的穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)極其重要。在本設(shè)計(jì)中，我們選用低噪聲與紋波的線性穩(wěn)壓器件，并連接到一個(gè)具有大的電源紋波抑制作用而同時(shí)具有低噪聲特性的運(yùn)算放大器來(lái)作為供電單元。在電路板布局時(shí)，對(duì)電源濾波做充分考慮，使電源紋波對(duì)各級(jí)電路的影響達(dá)到最小。同時(shí)在變?nèi)荻O管調(diào)諧端加入低噪聲運(yùn)算放大器進(jìn)行隔離，以有效降低調(diào)諧端噪聲電壓對(duì)晶振相位噪聲帶來(lái)的影響。
(3)放大電路
本設(shè)計(jì)中振蕩信號(hào)直接從晶體諧振器引出，因此選用具有更低輸入阻抗的共基極低噪聲放大器作為晶振的放大級(jí)，以便能與晶體諧振器更好地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，提高有載Q值。三極管選用低噪聲晶體管，其偏置電路使用與主振電路相同的低噪聲偏置，但放大器的直流工作點(diǎn)與主振電路不同，充分保證放大電路工作在線性狀態(tài)。同時(shí)在放大電路中加入適當(dāng)?shù)呢?fù)反饋，降低閃爍調(diào)相(1/f)和閃爍調(diào)頻(1/f³)噪聲。
(4)濾波電路
本設(shè)計(jì)在輸出端加入了帶通濾波電路，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。
(5)控溫電路
為保證晶振的短期穩(wěn)定度及近端相噪，需采用精密控溫的方式來(lái)降低外界環(huán)境變化對(duì)晶振振蕩頻率的影響。本設(shè)計(jì)選擇了比例積分反饋的連續(xù)式控溫電路，通過(guò)PID比例積分反饋回路對(duì)溫度進(jìn)行精確控制，提高控溫電路的靈敏度、控溫精度及環(huán)境適應(yīng)性。
3.3測(cè)試結(jié)果
本文設(shè)計(jì)的100MHz小型超低相噪恒溫晶體振蕩器實(shí)物照片如圖6所示。
圖6 晶振實(shí)物照片
相位噪聲實(shí)際測(cè)試曲線如圖7所示。由圖可見(jiàn)，本文研制的100MHz小型超低相噪恒溫晶振體積達(dá)到20mm×20mm×10mm，相噪指標(biāo)最優(yōu)達(dá)到一168dBc/Hz@1kHz，達(dá)到了預(yù)期的研制目標(biāo)。
圖7 相位噪聲測(cè)試曲線
結(jié)束語(yǔ)
本文總結(jié)了小型超低相噪恒溫晶振的設(shè)計(jì)方案。該文研制的100MHz小型超低相噪恒溫晶振體積達(dá)到20mm×20ram)<10mm，相噪指標(biāo)最優(yōu)達(dá)到一168dBc/Hz@1kHz，達(dá)到了預(yù)期的研制目標(biāo)。其具備良好的相位噪聲性能及小封裝尺寸，可滿足新一代電子裝備對(duì)晶振體積和相噪指標(biāo)的嚴(yán)苛要求，具備很好的應(yīng)用前景。
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