超小型恒温晶体振荡器的研究与设计

【摘要】：晶体振荡器从问世以来就被作为频率源而得到了广泛的运用,相对于LC振荡器,其频率稳定度和品质因数有了巨大的提高。如今在基站、电子仪器、卫星通信和武器装备等领域都需要晶体振荡器。晶体振荡器的性能往往是电子系统性能的限制因素。恒温晶体振荡器(OCXO)因性能更好就而受到了更多的关注和欢迎。目前国外产品在恒温晶体振荡器市场上占据了绝大多数的市场份额,因此研究性能更优的恒温晶体振荡器就显得愈发迫切,这对实现重要装备的完全国产化有重大的理论和现实意义。本文首先概述了恒温晶体振荡器研究背景及相关进展,随后介绍了石英晶体的压电效应、频率温度特性、阻抗频率特性、相位噪声等基础理论知识。对振荡器参数对性能的影响进行了分析以实现低相噪振荡电路,对放大电路的功率增益、稳定性及输出端的噪声系数作了仿真分析,对选频网络的作用也作了研究。利用参数计算设计方法与ADS软件的设计方法设计了低通滤波器。对控温电路的原理与设计问题也做了分析,通过protel 99SE完成了原理图以及PCB板的设计。作为完全由晶体谐振器、电容、电阻、电感、运算放大器及晶体管构成的电路,要想缩小电路板的尺寸,那么必然要从集成电路入手,将部分器件封装到某一芯片中,极大限度地减小元件所占空间。同时还要考虑到封装电路时,电容、热敏电阻等的外接问题。在设计中采用的封装芯片是基于振荡电路中晶体管及其所构成的偏置电路和控温电路进行的设计,留有外接端口,可对电路的部分器件参数作出调整。采用项目组设计的芯片AT4X4尺寸为4mm?4mm,这样制作的PCB板尺寸仅为18mm?10mm。从而设计的恒温晶振的尺寸相比市场主流产品有了明显的减小,实现了超小型的目的。用频率计Agilent 53131A测试实验原型的频率温度稳定度在-30 C~70 C为?0.19ppm。Agilent E5052B信号源分析仪测试其相位噪声后发现,其相噪指标为-106dBc/Hz@10Hz、-136dBc/Hz@100Hz、-160dBc/Hz@1kHz、-170dBc/Hz@10kHz、-173dBc/Hz@100kHz。测其尺寸后发现,体积达到了20mm?12mm?10mm。最终,所设计的OCXO在尺寸、相位噪声等方面实现了预期目标。