一种高稳定恒温晶振的设计

杨红利

摘要：随着科学技术的发展，对晶体振荡器提出了更高的要求，其频率的稳定性需要有一定程度的提高，要实现这一目标，需要采取有效的措施和手段，所以，对标频是10MHz的高稳定性的低相噪恒温晶体振荡器进行了全面的设计。对晶体振荡器在短时间中的稳定度进行了充分的研究和分析，从中得出了短时间中稳定度提高的手段和措施，同时，将其分析结果作为重要的依据和参照，开展振荡电路的设计，接着，对ADS谐波平衡仿真工具进行了充分的应用，对电路参数进行充分的优化，由此得到与预期比较贴合的相位噪声仿真曲线。并且，将优化的最终参数指导作为重要的依据，设计除了设计的样品。

关键词：高稳定；恒温；晶振；设计

在时频检测和控制领域中，晶振占据着至关重要的位置，是其使用频率最高的基础元件，其具体的应用是提供精密频率标准和时间基准。对于晶振性能来说，对其有着最重要的影响的是短时间内的频率稳定度，在此情况下，对晶体振荡器在短时间中的频率稳定度进行充分的研究和分析有着很大的必要性。短时间内的频率稳定度在时域和频域中有着相应的表征，分别是阿伦方差和相位噪声。但是，阿伦方差有着一定的劣势，主要包括计算难度和仿真难度都是比较大的，所以，在本文中，选择了在时域中进行相应的分析和研究，在频域中进行仿真操作，那么，就设计出了标频是10MHz的恒温晶体振荡器，并且对其进行了全面的检测，从中发现，其相位噪声和短时间内的稳定度都满足了相应的要求，能够将其当做稳定的频率信号源。

一、短时间内的频率稳定度阐释

在短时间中频率稳定度的变化是由相应的因素所导致的，主要包括噪声等。在此基础上，如果要得到比较高的短时间之内的频率稳定度，需要采取有效的措施和手段将电路中的噪声进行较大程度的降低，并且尽可能使其维持在最低程度。在对晶体振荡器的相位噪声进行相应的预测的过程中，对大量的数学模型进行了充分的分析和研究，多种数学模型中有着比较大的优势的是Leeson模型，其便捷性非常突出，所以，在进行相应的分析和研究的过程中将其作为重要的基础和依据[1]。在此模型中有着相应的相位噪声的表达公式：

从此公式中可以发现，要对相位噪声进行一定程度的降低，需要选择高有载因数值的晶体。

要提高分析的简便性，在此情况下，假设放大器中存在的噪声只有闪变噪声和白噪声，可以用相应的公式对放大器中的信号噪声功率谱密度进行表达：

在此公式中，不同的符号代表着不同的意思，f0、fm、F、K、T、Psi、QL分别代表的是载波频率、偏离载波频率、噪声系数、波尔兹曼常数、绝对温度、输入信号功率和有载品质因数[2]。

可以将以上的公式写成幂级数的形式：

将时域和频域的转换关系作为重要的依据和参照，可将其进行相应的转换，从中可得：

这项公式也就是阿伦方差表达式，把多种噪声参数带入到上式中，可以得到：

其中，fh所表示的是测试系统宽带。

从上式中可以发现，多种噪声对短时间内稳定度的影响的估算公式：

然后，對短时间内的稳定度进行相应的估算。将10MHz的高温晶振作为主要的对象，将多种参数带入其中，通过对以上公式的应用，来对1秒中的短时间内的稳定数据进行相应的估算。对短时间内的稳定度的变化的方向和趋势进行相应的研究和分析，从而发现对秒级短时间内的稳定度产生影响的因素。

从上表中可以得出，对于秒级短时间内的稳定度产生的影响最大的是闪频噪声。当在晶体管发射极串联相应的负反馈电阻的时候，能够在一定程度上降低系统的闪变噪声，所以，可以通过采取有效的措施和手段来的秒级的稳定度进行相应的改善，主要就是选择增加负反馈电阻的方式。同时，闪变噪声电平与有载品质因数值基本上是呈现反比的关系的，在此情况下，能够对高有载品质因数值进行充分的应用，对秒级稳定度进行有效的改善[3]。将上表中的数据作为重要的依据和参照，从中发现，晶体管集电极电流减小的时候，秒级短时间内的稳定度会得到相应的改善，所以，需要从对振荡管集电极电流的角度入手，对秒级短时间内的稳定度进行有效的改善，不过，从电路设计的角度来说，集电极电流是不可以过低的，如果存在过低的情况，必定会对振荡器的起振产生重大的影响。

除此之外，对相应的测试经验进行相应的分析和研究，从中发现，在晶体的激励不断增大的时候，秒级短时间内的稳定度不断恶化，然后利用同样的方法对晶体振荡器的毫秒级稳定度进行相应的估算，从中发现，在晶体的激励不断增大的时候，毫秒级短时间内的稳定度得到了相应的改善。同时，在频域中也有着相应的表现，主要就是电路的激励有所提高之后，相位噪声近旁有一定程度的恶化，远端得到相应的改善。图表中的数据是通过同一个晶振的参数进行估算的，所以，没有办法从有载品质因数的角度进行相应的阐释。

二、测试结果

在仿真操作的過程中得到了相应的数据，将其作为重要的依据和参照，对10MHz恒温晶振的样品进行了相应的制作[4]。

（1）通过相位噪声测试得到相应的结果：当样品制作出来之后，对相应的信号源分析仪进行充分的应用，由此对样品进行实际测试，从中可以得到相应的结果。

（2）通过阿伦方差测试得出了相应的结果，这项晶体振荡器在1秒的短时间内的稳定达到了1.1*1012。

三、结语

通过对本文中的设计结果进行相应的分析和研究，从中可以发现，对振荡器晶体管的集电极电流和晶体的激励电流进行科学、合理的设置，为晶体电流的恒定提供重要的保障。同时，在对电路设计的过程中，采取有效的措施在更大程度上降低晶体管的闪变噪声，从而对晶体振荡器的短时间内的稳定度进行有效的改善。

参考文献：

[1]黎荣林，陈萍萍，黎敏强，王雪艳.一种高稳定恒温晶振的设计[J].电子器件，2016，02：329333.

[2]黎敏强，路烜，赵瑞华，陈中平，王占奎.一种恒温晶振专用集成电路芯片设计[J].半导体技术，2012，11：832835.

[3]蒋松涛.一种小型超低相噪恒温晶振的设计[J].压电与声光，2015，03：420422+426.