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适于集成的低噪声温度补偿晶体振荡器的设计

王鹏钧  
【摘要】:晶体振荡器利用晶体的压电效应,可以产生机械振动,同时物理特性好,稳定度高,常作为脉冲信号和频率源,广泛应用于电子技术产业、通信雷达、国防军事等重点领域,成为电子领域的重要器件。随着人工智能、5G等技术的出现,各行业都向智能化、小型化转型,现如今晶体振荡器也朝着智能化、高稳定性、低功耗等方向发展,但是由于晶体自身固有的属性,当外界温度发生变化时,会影响振荡器频率的输出,导致与标称频率出现偏差。为了改善振荡器的频率温度特性,很早就出现了关于温度补偿技术的研究和应用,目前无论是模拟温度补偿晶体振荡器还是数字温度补偿晶体振荡器,其中变容二极管的电压包含振荡器的交流电压,会使振荡器的相位噪声指标恶化。本文设计了一种适于集成的新型温度补偿晶体振荡器,其负载可变电容采用温度系数电容,同时与晶体振荡器串联形成补偿电路,这样就避免了变容二极管的使用。该方案把晶体振荡器的温度频率曲线近似看成几条直线段相连,由于单个电容只能在某段温度区间内进行补偿,因此设计了模拟开关电路,能够根据当前的温度来选择各直线段对应的温度系数电容,实现自动分段温度补偿。本文首先介绍了晶体谐振器的组成结构和相关主要的参数,简单分析了相位噪声,介绍了温度补偿的基本原理和常见的补偿方法,接着对方案中的各个硬件电路设计以及各元器件的选型进行了详细说明,对软件部分的编程思想也进行了概述,完成了上述工作后,进行了软件模拟仿真调试,检测电路的运行情况,确保补偿方案的可行。在电路原理图的基础上进行PCB电路图的绘制,并完成实物焊接的工作,对焊接好的实物电路进行测试检测,保证实际过程中能达到设计要求。最后进行温箱实验,对温箱的数据处理后得到补偿后的温度频率曲线,观察补偿结果以及相位噪声等情况。在-20℃~+70℃的实验温度范围内,晶体振荡器的输出频率稳定度达到了±2ppm,在偏离载波1KHz处相位噪声指标为-129dBc/Hz。该设计方案可行,但由于对频率温度曲线采用近似的方法,补偿精度还有待改进和提高。


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