萬文杰，邱紫敬，祁 峰，梅剛?cè)A，鐘 達(dá)*

1.中國(guó)科學(xué)院原子頻標(biāo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院），湖北 武漢 430071；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

引 言

銣原子頻標(biāo)具有穩(wěn)定度高、體積小、易攜帶等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、通信、航空航天等領(lǐng)域[1].銣原子頻標(biāo)是一個(gè)以物理系統(tǒng)為鑒頻器的鎖頻環(huán)路，其將晶體振蕩器（晶振）輸出頻率鎖定在穩(wěn)定的原子躍遷頻率上，使晶振具有與銣原子躍遷頻率相同的中長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度，同時(shí)短期頻率穩(wěn)定度由晶振決定[2]．晶振為銣原子頻標(biāo)提供初始頻率源，同時(shí)也是標(biāo)準(zhǔn)頻率輸出的載體．晶體振蕩器通常分為四類：普通晶體振蕩器、壓控晶體振蕩器、溫度補(bǔ)償晶體振蕩器、恒溫晶體振蕩器．其中，前三種類型晶體振蕩器在性能上無法達(dá)到星載原子頻標(biāo)頻率穩(wěn)定度需求，而恒溫晶體振蕩器被認(rèn)為是目前穩(wěn)定度最好的振蕩器，利用精密的控溫電路和恒溫結(jié)構(gòu)保持晶體溫度的恒定，因此其穩(wěn)定度相比其它類型晶振有大幅度提高，被廣泛應(yīng)用于航空航天、精密測(cè)量等領(lǐng)域．

目前國(guó)內(nèi)能生產(chǎn)研制高性能晶體振蕩器的研究單位較少，其產(chǎn)品性能也與國(guó)外有一定差距；同時(shí)國(guó)外高性能宇航級(jí)產(chǎn)品不僅價(jià)格十分昂貴，且對(duì)國(guó)內(nèi)有著嚴(yán)格的出口限制．目前應(yīng)用于銣原子鐘的一款典型國(guó)產(chǎn)晶體振蕩器為中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所研制的OXLN5x 系列晶體振蕩器，其尺寸大小為50 mm×50 mm×16 mm，相位噪聲指標(biāo)為：?102 dBc/Hz@1 Hz、?135 dBc/Hz@10 Hz、?150 dBc/Hz@100 Hz、?161 dBc/Hz@1 kHz，其相位噪聲性能指標(biāo)良好，但體積無法滿足小型化星載銣原子頻標(biāo)要求．本文旨在設(shè)計(jì)一種小型化恒溫晶體振蕩器以滿足應(yīng)用需求．通過對(duì)Leeson 模型[3]進(jìn)行分析，利用射頻仿真軟件ADS 優(yōu)化仿真并指導(dǎo)設(shè)計(jì)電路；同時(shí)通過一系列方法，在滿足性能需求前提下縮小晶體振蕩器體積，最終實(shí)現(xiàn)了一種小型化低相噪恒溫晶振，相位噪聲指標(biāo)約為：?103 dBc/Hz@1 Hz、?131 dBc/Hz@10 Hz、?150 dBc/Hz@100 Hz、?160 dBc/Hz@1 kHz，相位噪聲性能與OXLN5X 系列晶振相當(dāng)，但體積僅為其五分之一，完全滿足小型化星載銣原子頻標(biāo)需求．

1 晶體振蕩器工作原理

本文設(shè)計(jì)的晶體振蕩器工作原理方框圖如圖1所示，由振蕩電路、放大電路、濾波電路、溫控電路和壓控電路構(gòu)成．因SC 切型石英諧振器可承受激勵(lì)電平較大，短期頻率穩(wěn)定度好，且溫度穩(wěn)定性較高，故本文選用高Q值SC 切3 次泛音石英晶體，通過振蕩電路產(chǎn)生10 MHz 信號(hào)，再經(jīng)放大電路增強(qiáng)振蕩信號(hào)幅度，確保振蕩器輸出信號(hào)功率滿足需求，最后通過濾波電路抑制信號(hào)諧波，減小負(fù)載牽引．溫控電路的作用是將石英晶體的溫度控制在晶體頻率-溫度特性曲線拐點(diǎn)處，減小壓控晶振受外界溫度變化的影響，改善晶體振蕩器頻率穩(wěn)定性，壓控電路通過外加電壓微調(diào)晶體外部電容，對(duì)晶振頻率進(jìn)行控制．

圖1 晶體振蕩器工作原理方框圖Fig.1 Block diagram of the crystal oscillator circuit

2 晶體振蕩器電路設(shè)計(jì)

2.1 振蕩電路設(shè)計(jì)

高穩(wěn)晶振主振電路一般采用并聯(lián)型晶體振蕩器設(shè)計(jì)方案，晶體置于反饋網(wǎng)絡(luò)中，振蕩在略高于串聯(lián)諧振的頻率上，晶體呈感性．本文所采用的是柯爾匹茲并聯(lián)振蕩電路，其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可根據(jù)需求對(duì)電路做出相應(yīng)調(diào)整，且頻率穩(wěn)定度較好，耐壓范圍較寬[4]，柯爾匹茲電路如圖2所示．晶體管T1起放大信號(hào)作用，石英晶體Q1呈感性，與電容C1和C2構(gòu)成諧振回路，等效電路如圖3所示．

圖2 柯爾匹茲電路Fig.2 Schematic diagram of Colpitts oscillator circuit

圖3 柯爾匹茲電路交流等效電路圖Fig.3 AC equivalent schematic diagram of Colpitts circuit

電路振蕩方程為：

上式中實(shí)部為0，可得外電路的負(fù)電阻為：

其中，ub為晶體管基極電壓；RE為晶體管發(fā)射極偏置電阻；RB為基極偏置電阻；Ri為晶體管輸入電阻；Re+jXe為石英諧振器等效電抗，其中j 表示虛數(shù)符號(hào)；fβ為截止頻率；gfe為晶體管跨導(dǎo)；gfeo為晶體管互導(dǎo)；Ct為校頻電容；ω為振蕩角頻率；f為振蕩頻率．由上式可知，適當(dāng)減小C1和C2可增大負(fù)電阻絕對(duì)值使電路更加易于起振．

2.2 電路相位噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的相位噪聲研究方法有Leeson 噪聲模型、Ali Hajimiri 和Thomas.H.Lee 線性時(shí)變模型[5]及Demir 和Kaertner 數(shù)值模型[6]方法，其中Leeson 模型是最為經(jīng)典的一種模型，本文基于Leeson 模型對(duì)晶體振蕩器相位噪聲進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)．根據(jù)文獻(xiàn)[4]，高Q值振蕩電路單邊帶相位噪聲L(mf) 表達(dá)式為：

其中F為噪聲系數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，Psi為輸入信號(hào)功率，QL為品質(zhì)因數(shù)，fc為閃爍噪聲拐角頻率，fm為偏離載波頻率，f0為載波頻率．L(mf) 與fm的關(guān)系曲線如圖4所示．

圖4 高Q 值振蕩器噪聲譜Fig.4 Noise spectrum of the high Q oscillator

由(3)式可知，振蕩器相位噪聲與噪聲系數(shù)、輸入信號(hào)功率、拐角頻率以及品質(zhì)因數(shù)有關(guān)，在設(shè)計(jì)電路時(shí)選擇低噪聲系數(shù)器件、增大信號(hào)功率、提升回路品質(zhì)因數(shù)，有助于降低晶體振蕩器相位噪聲．

2.3 ADS 仿真設(shè)計(jì)

本文利用ADS 軟件對(duì)柯爾匹茲電路進(jìn)行諧波平衡仿真，將仿真器中心頻率設(shè)置為10 MHz，得到振蕩電路輸出波形如圖5(a)所示，輸出相位噪聲曲線如圖5(b)所示．由圖5(b)可看出，仿真相位噪聲特性曲線滿足Leeson 模型中高Q值振蕩器噪聲譜（圖4）f?3、f?1、f0三段特性，對(duì)后續(xù)實(shí)際振蕩電路設(shè)計(jì)及調(diào)試具有指導(dǎo)意義．

圖5 (a)振蕩電路輸出信號(hào)波形仿真圖；(b)振蕩電路輸出信號(hào)相位噪聲仿真圖Fig.5 (a) Waveform simulation diagram of output signal of oscillator circuit; (b) Phase noise simulation diagram of output signal of oscillator circuit

2.4 放大電路及濾波電路設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)晶體振蕩器放大電路由兩級(jí)構(gòu)成：第一級(jí)采用共集放大電路；第二級(jí)采用共射放大電路，該級(jí)電路在放大信號(hào)功率同時(shí)可減小負(fù)載的牽引效應(yīng)，提升晶體振蕩器的隔離能力和頻率穩(wěn)定度．設(shè)計(jì)放大電路時(shí)應(yīng)選擇低噪聲系數(shù)晶體管，并使晶體管工作在線性放大區(qū)內(nèi)，在保證放大電路不產(chǎn)生失真的情況下，適當(dāng)調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)以減小晶體管帶來的噪聲影響．后級(jí)濾波電路采用三階切比雪夫低通濾波器，起到抑制諧雜波、提高信號(hào)頻譜純度作用，放大電路及濾波電路原理如圖6所示．

圖6 放大電路和濾波電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of amplifier circuit and filter circuit

2.5 溫控電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)采用直放式溫控電路[7]，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便．通過電橋與熱敏電阻RT相結(jié)合的方式，用大功率三極管T1對(duì)晶體進(jìn)行傳導(dǎo)加熱，電橋兩端分別接在運(yùn)算放大器（AMP）的同相端和反相端，起初運(yùn)放兩端電壓不相等，熱敏電阻阻值較大，有較大電流驅(qū)動(dòng)功率管，熱敏電阻溫度迅速升高，其電阻阻值迅速減小，反饋電壓使運(yùn)放輸入電壓減小，功率管電流隨之減小，升溫速率變慢，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，將晶體溫度控制在拐點(diǎn)溫度，改善晶振輸出頻率-溫度特性，溫控電路如圖7所示．

圖7 溫控電路原理圖Fig.7 Schematic diagram of temperature control circuit

2.6 小型化與抗干擾設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)電路在滿足性能指標(biāo)前提下，去掉增益控制電路，不僅簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，使得調(diào)試難度降低，有利于晶振小型化設(shè)計(jì)，同時(shí)增加了電路整體穩(wěn)定性，且避免增益控制電路帶來的相位噪聲惡化．選取小體積LDO 電源芯片，表貼封裝電阻、電容等元器件減小電路元件體積．采用四層板電路設(shè)計(jì)，提高布局布線密度，減小電路板面積．采用對(duì)晶體直接進(jìn)行加熱方案，減小晶振整體尺寸，最終實(shí)現(xiàn)小型化低噪聲恒溫晶體振蕩器設(shè)計(jì)，晶振實(shí)物及封裝尺寸如圖8所示．

圖8 (a) 10 MHz 晶振實(shí)物圖；(b) 10 MHz 晶振封裝尺寸圖Fig.8 (a) Picture of 10 MHz crystal oscillator; (b) Contour dimensional drawing of 10 MHz crystal oscillator

在元器件布局時(shí)注意按照信號(hào)流向關(guān)系，進(jìn)行布線時(shí)避免走線過長(zhǎng)，且避免銳角或者直角設(shè)計(jì)的出現(xiàn)．適當(dāng)加寬電源線和地線，做到就近接地，并在電源芯片引腳與地線之間放置合適的去耦電容，同時(shí)增加一層完整的地平面，這些措施有利于提高晶體振蕩器電磁兼容性能．將控溫電路中的熱敏電阻、功率三極管與晶體放置在背面并盡可能貼在一起，減少熱量傳遞過程中的損耗，同時(shí)避免溫度過高對(duì)振蕩電路晶體管帶來的影響．

3 性能測(cè)試及結(jié)果分析

本文所設(shè)計(jì)的低噪聲10 MHz 晶體振蕩器，在完成了各部分電路的加工制作、實(shí)驗(yàn)調(diào)試及參數(shù)優(yōu)化后能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期加電連續(xù)穩(wěn)定的工作．為了對(duì)晶振的性能進(jìn)行評(píng)估，本文分別在時(shí)域和頻域?qū)υ摼w振蕩器的性能進(jìn)行了測(cè)試．

首先，本文以CH1-75A 氫原子鐘（短期頻率穩(wěn)定度為1.5×10?13/s）作基準(zhǔn)參考源，用Picotime頻率穩(wěn)定度測(cè)試儀對(duì)該晶體振蕩器的時(shí)域特性即頻率穩(wěn)定度（Allan 方差）進(jìn)行了測(cè)試，頻率穩(wěn)定度的實(shí)測(cè)結(jié)果如圖9所示.其短期頻率穩(wěn)定度秒穩(wěn)為1.73×10?12/s，該穩(wěn)定度指標(biāo)已達(dá)到小型化高穩(wěn)恒溫晶振水平．

圖9 10 MHz 晶振Allan 方差測(cè)試圖Fig.9 Allan deviation test plot for 10 MHz crystal oscillator

其次，本文用ROHDE&SCHWARZ FSW26 頻譜分析儀（無需外接參考源）對(duì)晶振各頻點(diǎn)輸出功率譜進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖10 所示．當(dāng)參考電平為20 dBm 時(shí)，最終測(cè)得基頻諧振功率為8.16 dBm，二次諧波抑制為?41.39 dB，達(dá)到本文設(shè)計(jì)需求．

圖10 10 MHz 晶振頻譜測(cè)試圖Fig.10 Spectrum test plot for 10 MHz crystal oscillator

最后，本文用ROHDE&SCHWARZ FSWP26 相位噪聲分析儀（采用雙通道互相關(guān)技術(shù)，因此無需外接參考源）對(duì)該晶體振蕩器的頻域特性相位噪聲進(jìn)行了測(cè)試，相噪測(cè)試結(jié)果如圖11 所示．測(cè)試結(jié)果表明，該晶體振蕩器具有良好的相噪特性，其近端相噪為?102.7 dBc/Hz@1 Hz、遠(yuǎn)端相噪為?164.2 dBc/Hz@10 kHz．

圖11 低噪聲10 MHz 晶振相位噪聲測(cè)試曲線Fig.11 Phase noise test plot of low noise 10 MHz crystal oscillator

根據(jù)銣原子頻標(biāo)的工作原理，其電路系統(tǒng)噪聲是限制銣頻標(biāo)穩(wěn)定度的關(guān)鍵因素之一，電路產(chǎn)生的交互調(diào)制噪聲即晶振輸出信號(hào)在調(diào)制頻率（fM）各諧波（僅需考慮偶次）處相位噪聲對(duì)銣頻標(biāo)穩(wěn)定度的貢獻(xiàn)可表達(dá)為[8]：

上式中f0為晶振輸出頻率，τ表示采樣時(shí)間間隔，P2n+1為傅里葉系數(shù)，S y(2nfM)為頻偏在2nfM處的噪聲功率譜密度，L(2nfM)為頻偏在2nfM處的相位噪聲．經(jīng)過計(jì)算分析，因n＞ 1的高次諧波相噪影響非常小可忽略不計(jì)，故只需考慮n= 1即2fM處的相噪貢獻(xiàn)，針對(duì)本實(shí)驗(yàn)室的銣原子頻標(biāo)，調(diào)制頻率fM=136 Hz，晶振輸出頻率f0=10 MHz，本文實(shí)驗(yàn)測(cè)得2fM處相噪為L(zhǎng)(272 Hz) = ?155 dBc/Hz，代入式(4)和(5)計(jì)算得出，晶振相噪對(duì)銣頻標(biāo)穩(wěn)定度的貢獻(xiàn)為2.3×10?13/τ12，這表明該晶振可滿足穩(wěn)定度優(yōu)于5×10?13/τ12的高性能銣原子頻標(biāo)設(shè)計(jì)需求．

與本實(shí)驗(yàn)室早期研究工作[9]中所設(shè)計(jì)的晶體振蕩器相比，本文所設(shè)計(jì)低噪聲晶體振蕩器的設(shè)計(jì)電路采用2 級(jí)放大電路，因此各級(jí)電路增益要求不需要很高，增加了電路的穩(wěn)定性，同時(shí)也提高了隔離度．且關(guān)鍵頻點(diǎn)的相噪特性得到進(jìn)一步改善，在2fM處相位噪聲降低3 dBc/Hz，遠(yuǎn)端相位噪聲降低12 dBc/Hz，晶振相噪對(duì)銣頻標(biāo)頻率穩(wěn)定度貢獻(xiàn)則降低了約30%，可滿足更高性能銣原子頻標(biāo)需求．

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款低噪聲小型化10 MHz 恒溫晶體振蕩器．振蕩電路采用柯爾匹茲并聯(lián)振蕩電路，利用Leeson 模型與ADS 仿真指導(dǎo)設(shè)計(jì)，通過選用低噪聲晶體管、提升回路品質(zhì)因數(shù)、增大信號(hào)功率，實(shí)現(xiàn)了低相位噪聲要求；通過直放式溫控電路，將石英晶體溫度控制在頻率-溫度拐點(diǎn)處，減小外部環(huán)境溫度變化對(duì)晶體振蕩器輸出頻率的影響．對(duì)該晶體振蕩器的性能進(jìn)行了測(cè)試和評(píng)估，測(cè)試結(jié)果表明，該晶體振蕩器具有良好的短期頻率穩(wěn)定度（1.73×10?12/s）和優(yōu)異的相位噪聲性能（近端?102.7 dBc/Hz@1 Hz、遠(yuǎn)端?164.2 dBc/Hz@10 kHz），且其交調(diào)相噪對(duì)銣原子頻標(biāo)穩(wěn)定度的貢獻(xiàn)僅為2.3×10?13/τ12，因此它可作為本振信號(hào)源滿足高性能銣原子頻標(biāo)的應(yīng)用需求．

利益沖突

無