一种小型低相位噪声恒温晶体振荡器的设计

文/贾伟琦

晶体振荡器作为稳定的频率基准源，被广泛应用于通信、广播、导航及多种测量仪器中。其性能指标直接影响着整机系统的多项关键指标。相位噪声性能是指各种随机噪声造成的瞬时频率或者相位的起伏，表征输出频率的短期频率稳定度，作为晶振的关键指标对整机系统的性能参数有着重要意义。本文从理论的角度展开分析，针对一种小型低相噪恒温晶振的设计特征进行说明。

1 理论分析

在晶体振荡电路中，电阻、电容、电感、二极管、晶体管等都会产生内部噪声，但是噪声会有所不同，其中晶体管的噪声最大，在电气环境中带来的影响也最大，而电阻或者电容等元件则相对影响较小，在某些情况下甚至可以视为无噪声元件。

对于晶体振荡器而言，其相位噪声共有五种模式，即白噪声调相、闪烁噪声调相、白噪声调频、闪变噪声调频和频率随机游动。但是在晶体管实际的工作过程中，并非五种噪声共同作用，其影响力，通常由比较突出的三、四种噪声引起，而在这其中，附加噪声、干扰噪声，以及调频闪变噪声的作用最不容忽视。

根据Leeson模型（振荡器的相位噪声模型）分析，晶体谐振器的有载Q值越高，振荡器的噪声性能越好。也就是说，需要切实提升谐振器的有载Q值，才能获取良好的工作状态。这需要进一步展开工作，切实提升谐振器自身的Q值，并且优化的主振电路，尽量减小振荡回流的损耗，将空载Q值尽最大可能转换成为有载Q值。晶体谐振器自身的Q值不可能无限制提升，因此晶振低相噪实现的关键是如何进一步提升晶体谐振器在振荡电路中的有载Q值。

在高稳晶振中，振荡电路通常采用反馈型电路予以实现。依据晶体谐振器在振荡电路中的作用原理，可以将反馈型振荡电路进一步划分为两种，即串联振荡型以及并联振荡型。其中前者是将晶体谐振器置于放大网络和反馈网络之间，从实现形态上看保持串联，能够发挥选频作用。当振荡电路频率与晶体谐振器串联谐振频率相同时，晶体谐振器就会呈现出纯阻性特征。在这一领域，通常采用巴特勒电路实现串联，整体效果良好。而对于后者而言，皮尔斯电路和考毕兹电路是比较常见的实现方式，从结构上，就是将晶体谐振器置于反馈网络中，作为振荡回路的一个电抗元件参与工作，和回路的其他元件一起共同决定系统的工作频率。当振荡电路频率控制在晶体谐振器串、并联谐振频率之间的时候，晶体谐振器呈感性。

晶体在电路的有载Q值要提高，必须选取相对较好的振荡电路形式。晶体的有载Q值可以表达为式（1）：

式（1）中，Lx为晶体等效电感；RS以及RL分别表示晶体等效电阻以及晶体负载电阻。

电路中的电阻损耗直接导致有载Q值小于晶体自身Q值。为了尽量缩小晶体的Q值损耗，应对RL展开有效控制，确保Q值不会因RL而显著恶化。在并联振荡电路中，将晶体放置于晶体管的集电极和基极的情况时，等效RL相对较大；而在串联振荡电路中，将晶体串联在发射极的时候，有载Q值会相对而言更具有优势。同时，采用并联振荡电路还需要加入晶体的B模抑制网络，会使晶体Q值进一步降低。因此，从噪声降低的角度考虑，串联振荡电路是相对更优的选择。

2 产品研制

2.1 器件选型

由上述可见，晶体谐振器、晶体管等器件对相噪的影响很大。故在低相噪晶振设计中，对晶体谐振器、晶体管等器件的选型很关键。

晶体谐振器：对于切型、Q值、泛音次数、拐点、频差、等效电阻、静态电容等参数都要进行慎重考虑。在本文设计中，通过综合考虑，本文选用了SC切5次泛音高Q晶体谐振器。

晶体管：需重点考虑噪声系数，并兼顾低温漂、高增益、小封装等要求。

其他器件：均需重点考虑低噪声的要求。

2.2 电路设计

2.2.1 振荡电路

传统的巴特勒结构电路，振荡模式复杂，调试困难。可以考虑对传统巴特勒电路进行改进，面向电路以及相关参数展开设计，实现对于输出信号相位噪声的优化。

2.2.2 稳压电路

电源线上的噪声对晶振影响很大，因此低噪声晶振的稳压电路设计极其重要。在对电路系统展开设计的过程中，应当注重稳压器件选用低噪声与纹波的线性稳压器。在PCB布线时，要充分考虑电源滤波，使电源纹波对各级电路的影响达到最小。

2.2.3 放大电路

在展开电路设计的时候，可以考虑直接从晶体引出振荡信号，但同时应当注意，晶振的放大级要选用具有更低输入阻抗的共基极低噪声放大器，唯有如此才能确保其能够与晶体实现阻抗匹配，有载Q值得到提升。在晶体管的选用上则应当重点考察低噪属性，兼顾偏置电路。但放大器的直流工作点，则应当重点关注放大电路工作在线性状态，并且放大电路中酌情引入负反馈，同样对于降低闪烁调相和闪烁调频噪声存在积极价值。

2.2.4 滤波电路

设计时可以考虑在输出端增加带通滤波电路，将输出端与振荡电路加以隔离，减小负载变化对主振状态的影响，提升输出信号的频谱纯度。

2.2.5 控温电路

可以考虑选择比例积分反馈的连续式控温电路，在提升控温电路的灵敏度的同时，加强控温精度及环境适应性。

2.3 测试结果

本文研制的10MHz小型超低相噪恒温晶振，相噪指标最优达到-168dBc/1kHz，达到了预期的研制目标。

3 结束语

本文通过高Q值晶体和低噪声电路实现了超低相噪恒温晶振的设计，具有的低相噪性能，达到了国外同类产品先进水平，具备很好的应用前景。

参考文献

[1]赵声衡.石英晶体振荡器[M].北京：科学出版社,2008.

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