恒温晶振精度

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•ELECTRONICS WORLD・探索与观察描述了一种新型恒温晶振（OCXO）的设计方案，在恒温晶振（OCXO）研究基础上，通过对控温电路的优化设计，并采用热敏网络补偿技术，以恒温控制为主，温度补偿为辅，先进行恒温控制，再进行温度补偿。两者相互结合取得优良的温频特性。新型恒温晶振的工作电压仅为5V。其温度-频率特性及相位噪声分别达到≤±1ppb（-40～+70℃）和≤-158dBc/Hz@1kHz的指标。稳态功耗仅为1.2W，体积为36*27*12.7mm。引言：石英晶体振荡器是无线电设备的核心部件，是通信、广播、雷达、电子对抗、遥控遥测及许多测量仪器必不可少的部件，其中恒温晶体振荡器（OCXO）是一种频率稳定性最好的高精密晶体振荡器（蒋松涛，一种小型超低相噪恒温晶振的设计：压电与声光，2015）。大量应用于高端通讯设备中。目前温频特性要达到10-9～10-11数量级普遍采用双层恒温技术。存在预热时间长，体积大，功耗高等缺点（赵声衡，晶体振荡器：科学出版社，2008）。本文描述了一种恒温控制为主，温度补偿为辅，两者相结合的新型OCXO设计方案。并成功研制了体积为36×27×12.7（mm），温度稳定度优于±1×10-9的小体积低功耗恒温晶振。1 晶体谐振器温频特性晶体谐振器是一种基于压电效应实现的机械振动系统。其晶片切型有很多种，包括AT切、SC切、BT切等。其中比较常用、生产较成熟的是AT切和SC切。SC切谐振器的显著特点是其频率与温度之间有近似的三次函数关系，因而它具有零温度系数点（John R.Vig Quartz Crystal Resonators and Oscillators For Frequency Control and Timing Applications:U.S.Army Communications-Electronics Command,2001）。晶体谐振器的频率受温度影响的关系如式(1)所示：f为频率标称值，Δfs/f为晶体的温度系数，由晶体的切型和角度所决定，选择合适的切角，可以得到具有零温度系数的晶体。 (1)晶体谐振器的频率随温度而变化，温度成为影响晶体振荡器稳定度最主要的因素，温度的控制和处理一直是提高晶振稳定度的主要手段（孙兵锋，小型化10MHz恒温晶体振荡器设计：波谱学杂志，2014）。为了达到优良的频率温度稳定性，需要对振荡器的控温结构进行了精确的分析和设计。传统恒温晶体振荡器电路包括温度控制系统、电源处理系统、振荡电路、B模抑制、放大电路、整形输出几部分（秦玉浩，10MHz高稳晶振仿真技术研究：空间电子技术，2015）。其结构框图如图1所示：图1 传统石英晶体振荡器结构原理图2 新型OCXO设计原理为了提高晶体振荡器的稳定度在工程应用中可以采取多种补偿方式，如：利用电容的温度系数补偿、多晶体互补、热敏电阻网络补偿、数字温度补偿、恒温控制等（邓敏，宽温高稳定度的温度补偿技术：电讯技术，2008）。其中以恒温控制的精度为最高，采用双层恒温技术的DOCXO可以达到10-9～10-11数量级。但是存在预热时间长、体积大、功耗高的缺点。为了达到高精度，低功耗，小体积的要求，采用了恒温控制为主，温度补偿为辅，先进行恒温控制，再进行温度补偿，两者相结合的新型OCXO设计方案。以恒温控制为主，采用常规恒温控制技术，把晶体的温度控制在零温度系数点。温度补偿为辅，把由热敏电阻构成的补偿网络放在恒温槽内，用来单调补偿恒温槽温度变化带来的频率改变。原理图如图2所示。图2 新型石英晶体振荡器结构原理图3 温控及补偿电路设计3.1 温控电路设计为了达到较高的频率温度稳定性的要求，必须对振荡器的热结构进行精确的设计分析。温度控制系统是一个电伺服系统持续向恒温槽加热，通过改变加热电流来补偿环境温度的变化（曾志林，一种超稳晶体振荡器的设计与实现：无线电工程，2017）。由嵌在恒温槽中的热敏电阻来感应温度，该热敏电阻阻值发生改新型恒温晶振原理及实现中国电子科技集团有限公司第十三研究所 牛占鲁• 93

关于恒温晶振

一：说明：

恒温晶振采用高精密恒温槽给高稳定石英晶体进行恒温处理。使晶体保持长期温度恒定状态从而达到频率稳定输出，其优越性为高稳定，低老化，低相位等特点因而得到广泛应用。但其频率精度会因小量的老化变量发生变化，特别是在一些长期工作的仪器设备里，有的晶振工作多则几十年，少则几年。这样晶振存在一定的老化变量会导致仪器设备偏离或失效，因此恒温晶振可校准也是必然和必须的。

一．频率校准方式可分如下为三大类：

1. 恒温晶振内部校准：

恒温晶振内部电位器校准，采用BOURNS公司的电阻式精密可调电位器，常用如BOURNS公司的3223W-1-203E，阻值20K可达到11圈的可调圈数，能精确调准晶振输出频率精度，生产恒温晶振时便捷。

其优点为：客户使用时不用再选择电位器；不用再对频率进行太多校准；频率精度一致性好。

其缺点为：产品为开孔方式密封性能下降，可能导致产品内部出现杂物，引起质量事故引发质量纠纷；操作不方便；设计时对可调孔位设计受晶振位置牵控；环境适应性差，高低温下因密封性能下降会导致晶振内部受潮，产品性能下降；抗振能力下降，因可调孔为螺丝结构，加上晶振外壳很薄，受力牙纹在2~4个左右在振动时可能导致螺丝脱落；可调为易损件，在多次调整和长期高温（90~100度）下性能下降维修和更换困难；设计难度和可控度加大，体积，指标各方面难达成。

2.不可调，产品校准频率输出：

其优点为：密封性好。

其缺点为：频率精度差；老化后不能校准；维护维修性差

3．外部校准：

客户使用时对校准方式可进行调整，合理利用外型结构灵活性高；校准精度高，因参考电压为晶振产品内部供给其稳定性和内部校准方式一样；密封性高，可达低真空，因高密封性产品高低温下气压变化不影响产品内部湿度提高产品稳定性定性，提高长期老化率；可维修，维护性好，因可外校设计者可选择合理位置，更换校准方试；抗振能力强，产品合密封，无松动器件。

外部校准分如下几种：

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优良短期稳定度10MHz恒温晶振研制

作者：王钰

来源：《科技风》2017年第12期

摘要：恒温晶振作为一种具有优良性的频率发生的设备，运用于许多的领域中。而优良短期稳定度是指在晶振研制中的一项基准指标的体现。它在我国航天、电子、通信等领域运用具有十分重要的作用，主要是运用恒温晶振研制的优良短期稳定住促使设备系统的性能保持稳定以及提高的状态。在本文的论述中主要是对恒温晶振基本工作原理进行了解的基础上，进行不同电路的设计，研制出具有优良短期稳定度的10MHz恒温晶振。

关键词：优良短期稳定度；恒温晶振；控温系统

在目前恒温晶振优良短期稳定度相关标准范围控制在5×10-13/s～2×10-12/s范围之内，因其自身的优良性，被广泛运用于很多的领域中，同时它的运用可以促使相关设备系统的性能得到很大的提升。主要体现在：在通信设备中的使用，可以促使误码率的降低。在测速系统中运用可以提高测试数据的精准度，以及雷达系统中辨别力的提高等等。针对这些实际运用所体现的优势，我们对此进行研究。

一、恒温晶振研制优良短期稳定度的影响因素

在19世纪提出的简单噪声模型，通过运用与实际相对比具有很好的效果，随着运用范围的拓宽，扩大了它的影响力，后来被广泛运用于振荡器中对噪声的分析。其中振声器由于是由放大器和正反馈网络两者组成。在这种形式中通过震荡信号进行干扰从而对振荡器的短期稳定造成影响。我们对此进行假设，在放大器中假设只存在白噪声和闪变噪声，所输出的单边相位噪声密度用公式进行表示为：

将公式带入到其中进行振荡器，进行短期稳定度指标影响因素的判断，得出在进行晶体谐振器时需要提高有载品质因数的指标；同时需要在研制的过程中选用具有低噪声效果的晶体管。其中又特别是主晶体管的选择；其次是选择合适的辅助电路；最后是双层恒温槽的运用，防止由于其他环境因素造成的频率稳定度的变化。

技术指标项目

Parameter

规格 Specification测试条件

标称频率 Nominal Frequency (MHz)10.0—100.0----

频率准确度 Frq accuracy at the time of shipment (ppm)±0.1—±1.0全测

温度范围工作温度 Operating Temperature Range(℃)-40～+85全测Temperature Range储存温度 Storage Temperature Range (℃)-55～+105----

输入 Input Power供电电压 Supply Voltage (Vdc)+3.3—+12 ±5%----

功率 (W) Power初始状态 At switch on (W)3.5 (max.)全测

稳定状态 At steadystate@25ºC1.5 (max.)全测

频率调整 Frequency Turning调整范围 Frequency Turning Range (ppm)±0.5—±5.0全测

控制电压 Control Voltage Range (V)0.0 —9.0全测

参考电压 Reference Voltage (V)2.8—9.0全测

线性度 Linearity10%抽测

输出 Output Signal波形 WaveformSineHCMOS全测

幅度 Level5dBm—10dBmH Level≥0.9Vdc全测L Level≤0.1Vdc

负载 Load50Ω15pF--50pF ----

上升/下降时间 Rise / Fall time (ns)≤6抽测

占空比 Duty cycle 50%±5﹪—±10%全测

频率稳定度Frequency Stability温度特性 Vs.Operating Temperature (ppb)±10—±280全测

电压特性 Vs.Supply VoltageVariation(ppb)±10—±200抽测