晶体振荡器温度补偿技术的研究

【摘要】：晶体振荡器广泛应用于宇航、仪器仪表、雷达、通信等领域。温度补偿晶体振荡器具有功耗低、启动迅速、便于集成等优势,是目前常用的振荡器之一。本文首先研究了晶体谐振器串联负载电容的等效变换。前人们采用近似计算,并对此等效变换做了一些研究。本文在推导过程中发现:提取复阻抗方程的隐含条件后,即使不采用近似计算,一个方程也能求解四个未知数。其中的隐含条件为:复阻抗方程对任意频率皆成立。最终,本文证明了此种等效变换的适用范围与谐振器Q值、谐振频率、电容比等都无关,且适用于符合Butterworth-Van Dyke(BVD)模型的所有压电谐振器。然后,本文研究了基于零相位频率的晶体谐振器等效参数测量方法。早期人们采用晶体阻抗计测量等效参数,目前国际电工委员会推荐使用矢量网络分析仪测量等效参数。由于采用了近似计算,在谐振器Q值较低时,上述方法的理论误差变大。本文提出了一种基于谐振频率、反谐振频率、负载谐振频率、负载反谐振频率测量晶体谐振器等效参数的方法。由于推导过程中没有近似计算,所以本方法不受谐振器Q值影响,仿真实验也验证了这一点。通过相位-频率曲线的导数方程解决了频率随机游动与负载电容标称值不精确问题之后,本文测量了一个5MHz晶体谐振器与一个10MHz晶体谐振器的等效参数。测试结果表明,本文方法所测等效参数与供应商提供的等效参数基本一致。由于这两个谐振器的M值、Q值皆较高,因而供应商的测试误差也会较小。因此,实测实验间接证明了本方法的有效性。本方法通过频率测量动态电阻R1,而频率是目前测量最准的物理量之一,因此本方法对提高测试精度有一定的益处。除此之外,比较成熟的频率测量方法也使得本方法操作较为简便。本文在理论上验证了此方法的优势,初步实验也验证了其可行性。接下来,本文分析了影响温度补偿晶体振荡器频率温度稳定度的主要因素——温滞效应。通过分析发现,传感器一维温度信息不能完整描述谐振器四维温度分布。这导致了同一温度对应不同的输出频率。在此基础上,本文提出了一种实时温度补偿方法,以保持测试环境的一致性。然后,本文设计了一种100MHz低相噪温度补偿晶体振荡器。实验结果表明,本实验原型的频率温度稳定度、相位噪声达到或超过国际同类产品。文末,本文分析了Trim效应。通过分析发现:Trim效应的原因是压控振荡器压控特性曲线的非线性。一个初步的实验也验证了此种推断。最后,本文分析了二维补偿技术使温度补偿晶体振荡器输出多个频率的可能性。