据用户需要,该文设计了一种小体积低相噪40 mhz恒温晶体振荡器。该振荡器采用低噪声线性稳压器(ldo)作为电源、sc-切晶体谐振器及b模抑制网络等设计,在减小体积的同时提高了产品的相位噪声。温控系统采用直放式加热电路,比例积分的算法,有源负载作为加热元件,提高产品的控温精度,降低环境温度变化对振荡器带来的影响。该振荡器工作稳定可靠,工作电压仅为5 v。其温度-频率特性绝对值不大于0.02×10-6(-30～ 70℃),相位噪声不大于-160 dbc/hz@1 khz的指标。功耗仅为0.9 w,体积仅为20 mm×12 mm×10 mm。
在各种石英晶体振荡器中,恒温晶体振荡器(ocxo)是一种频率稳定性最好的高精密晶体振荡器。广泛应用于通信、导航、雷达、精密仪器仪表、测试设备中[1]。随着大规模集成电路及表面贴装技术的发展,精密仪器及通讯导航系统整机体积越来越小。整机的小型化对部件提出了越来越高的要求。为了获得更高的频率稳定度,必须采用高性能晶体谐振器、稳定的振荡电路以及结构完善、高精度的恒温槽[2]。小型低相噪恒温晶振成为近年来主要关注的对象。
根据市场需要,设计了中心频率40 mhz、温频特性≤±2×10-8(-30～ 70 ℃)、相位噪声≤-160 dbc/hz@1 khz,体积仅为20 mm ×12 mm ×10 mm的小型低相噪恒温晶振。
1 电路设计
图1为石英晶体振荡器电路结构框图[3]。由于产品要达到2×10-8的温频特性及0.1 ps的抖动指标,对于电源的处理格外重要,电源处理系统采用低噪声线性稳压器 (ldo),保证了电源的温度稳定性,同时对外部电源的纹波进行处理,消除电源噪声的影响。采用放大及整形电路,同时在输出端进行阻抗匹配输出,进一步减少后级对振荡电路的影响,提高产品的稳定度。
图2为采用门振荡电路的原理图[4]。图中,180表示相位翻转180°。振荡电路谐振器选用sc-切40 mhz三次泛音晶体。由于sc-切谐振器具有b、c两种振动模式,c模是具有零温度系数的振动,为所需的理想振动模式。在比c模频率高约10%处有一寄生振动,称b模振动。因此,b模的抑制是电路设计时需要重点考虑的问题,该抑制网络直接影响到振荡器高低温工作的可靠性,电路中,l1、c1 用来抑制40 mhz的基频,l2、c2谐振在40～44 mhz处,抑制晶体b模振荡,同时又保证了c模振荡。电路中晶体工作于略高于串联谐振频率且呈现电感性的区间,此时晶体作为三点式振荡电路中的一个电感元件。