一種用于銣原子頻標的小型化低噪聲10MHz晶體振蕩器設計

萬文杰，邱紫敬，祁 峰，梅剛華，鐘 達*

1.中國科學院原子頻標重點實驗室（中國科學院精密測量科學與技術創新研究院），湖北 武漢 430071；2.中國科學院大學，北京 100049

引 言

銣原子頻標具有穩定度高、體積小、易攜帶等優點，廣泛應用于導航、通信、航空航天等領域[1].銣原子頻標是一個以物理系統為鑒頻器的鎖頻環路，其將晶體振蕩器（晶振）輸出頻率鎖定在穩定的原子躍遷頻率上，使晶振具有與銣原子躍遷頻率相同的中長期頻率穩定度，同時短期頻率穩定度由晶振決定[2]．晶振為銣原子頻標提供初始頻率源，同時也是標準頻率輸出的載體．晶體振蕩器通常分為四類：普通晶體振蕩器、壓控晶體振蕩器、溫度補償晶體振蕩器、恒溫晶體振蕩器．其中，前三種類型晶體振蕩器在性能上無法達到星載原子頻標頻率穩定度需求，而恒溫晶體振蕩器被認為是目前穩定度最好的振蕩器，利用精密的控溫電路和恒溫結構保持晶體溫度的恒定，因此其穩定度相比其它類型晶振有大幅度提高，被廣泛應用于航空航天、精密測量等領域．

目前國內能生產研制高性能晶體振蕩器的研究單位較少，其產品性能也與國外有一定差距；同時國外高性能宇航級產品不僅價格十分昂貴，且對國內有著嚴格的出口限制．目前應用于銣原子鐘的一款典型國產晶體振蕩器為中國電子科技集團公司第十三研究所研制的OXLN5x 系列晶體振蕩器，其尺寸大小為50 mm×50 mm×16 mm，相位噪聲指標為：?102 dBc/Hz@1 Hz、?135 dBc/Hz@10 Hz、?150 dBc/Hz@100 Hz、?161 dBc/Hz@1 kHz，其相位噪聲性能指標良好，但體積無法滿足小型化星載銣原子頻標要求．本文旨在設計一種小型化恒溫晶體振蕩器以滿足應用需求．通過對Leeson 模型[3]進行分析，利用射頻仿真軟件ADS 優化仿真并指導設計電路；同時通過一系列方法，在滿足性能需求前提下縮小晶體振蕩器體積，最終實現了一種小型化低相噪恒溫晶振，相位噪聲指標約為：?103 dBc/Hz@1 Hz、?131 dBc/Hz@10 Hz、?150 dBc/Hz@100 Hz、?160 dBc/Hz@1 kHz，相位噪聲性能與OXLN5X 系列晶振相當，但體積僅為其五分之一，完全滿足小型化星載銣原子頻標需求．

1 晶體振蕩器工作原理

本文設計的晶體振蕩器工作原理方框圖如圖1所示，由振蕩電路、放大電路、濾波電路、溫控電路和壓控電路構成．因SC 切型石英諧振器可承受激勵電平較大，短期頻率穩定度好，且溫度穩定性較高，故本文選用高Q值SC 切3 次泛音石英晶體，通過振蕩電路產生10 MHz 信號，再經放大電路增強振蕩信號幅度，確保振蕩器輸出信號功率滿足需求，最后通過濾波電路抑制信號諧波，減小負載牽引．溫控電路的作用是將石英晶體的溫度控制在晶體頻率-溫度特性曲線拐點處，減小壓控晶振受外界溫度變化的影響，改善晶體振蕩器頻率穩定性，壓控電路通過外加電壓微調晶體外部電容，對晶振頻率進行控制．

圖1 晶體振蕩器工作原理方框圖Fig.1 Block diagram of the crystal oscillator circuit

2 晶體振蕩器電路設計

2.1 振蕩電路設計

高穩晶振主振電路一般采用并聯型晶體振蕩器設計方案，晶體置于反饋網絡中，振蕩在略高于串聯諧振的頻率上，晶體呈感性．本文所采用的是柯爾匹茲并聯振蕩電路，其電路結構簡單，可根據需求對電路做出相應調整，且頻率穩定度較好，耐壓范圍較寬[4]，柯爾匹茲電路如圖2所示．晶體管T1起放大信號作用，石英晶體Q1呈感性，與電容C1和C2構成諧振回路，等效電路如圖3所示．

圖2 柯爾匹茲電路Fig.2 Schematic diagram of Colpitts oscillator circuit

圖3 柯爾匹茲電路交流等效電路圖Fig.3 AC equivalent schematic diagram of Colpitts circuit

電路振蕩方程為：

上式中實部為0，可得外電路的負電阻為：

其中，ub為晶體管基極電壓；RE為晶體管發射極偏置電阻；RB為基極偏置電阻；Ri為晶體管輸入電阻；Re+jXe為石英諧振器等效電抗，其中j 表示虛數符號；fβ為截止頻率；gfe為晶體管跨導；gfeo為晶體管互導；Ct為校頻電容；ω為振蕩角頻率；f為振蕩頻率．由上式可知，適當減小C1和C2可增大負電阻絕對值使電路更加易于起振．

2.2 電路相位噪聲優化設計

現有的相位噪聲研究方法有Leeson 噪聲模型、Ali Hajimiri 和Thomas.H.Lee 線性時變模型[5]及Demir 和Kaertner 數值模型[6]方法，其中Leeson 模型是最為經典的一種模型，本文基于Leeson 模型對晶體振蕩器相位噪聲進行優化設計．根據文獻[4]，高Q值振蕩電路單邊帶相位噪聲L(mf) 表達式為：

其中F為噪聲系數，k為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度，Psi為輸入信號功率，QL為品質因數，fc為閃爍噪聲拐角頻率，fm為偏離載波頻率，f0為載波頻率．L(mf) 與fm的關系曲線如圖4所示．

圖4 高Q 值振蕩器噪聲譜Fig.4 Noise spectrum of the high Q oscillator

由(3)式可知，振蕩器相位噪聲與噪聲系數、輸入信號功率、拐角頻率以及品質因數有關，在設計電路時選擇低噪聲系數器件、增大信號功率、提升回路品質因數，有助于降低晶體振蕩器相位噪聲．

2.3 ADS 仿真設計

本文利用ADS 軟件對柯爾匹茲電路進行諧波平衡仿真，將仿真器中心頻率設置為10 MHz，得到振蕩電路輸出波形如圖5(a)所示，輸出相位噪聲曲線如圖5(b)所示．由圖5(b)可看出，仿真相位噪聲特性曲線滿足Leeson 模型中高Q值振蕩器噪聲譜（圖4）f?3、f?1、f0三段特性，對后續實際振蕩電路設計及調試具有指導意義．

圖5 (a)振蕩電路輸出信號波形仿真圖；(b)振蕩電路輸出信號相位噪聲仿真圖Fig.5 (a) Waveform simulation diagram of output signal of oscillator circuit; (b) Phase noise simulation diagram of output signal of oscillator circuit

2.4 放大電路及濾波電路設計

本文所設計晶體振蕩器放大電路由兩級構成：第一級采用共集放大電路；第二級采用共射放大電路，該級電路在放大信號功率同時可減小負載的牽引效應，提升晶體振蕩器的隔離能力和頻率穩定度．設計放大電路時應選擇低噪聲系數晶體管，并使晶體管工作在線性放大區內，在保證放大電路不產生失真的情況下，適當調整靜態工作點以減小晶體管帶來的噪聲影響．后級濾波電路采用三階切比雪夫低通濾波器，起到抑制諧雜波、提高信號頻譜純度作用，放大電路及濾波電路原理如圖6所示．

圖6 放大電路和濾波電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of amplifier circuit and filter circuit

2.5 溫控電路設計

本文設計采用直放式溫控電路[7]，其結構簡單，調試方便．通過電橋與熱敏電阻RT相結合的方式，用大功率三極管T1對晶體進行傳導加熱，電橋兩端分別接在運算放大器（AMP）的同相端和反相端，起初運放兩端電壓不相等，熱敏電阻阻值較大，有較大電流驅動功率管，熱敏電阻溫度迅速升高，其電阻阻值迅速減小，反饋電壓使運放輸入電壓減小，功率管電流隨之減小，升溫速率變慢，最終達到動態平衡，將晶體溫度控制在拐點溫度，改善晶振輸出頻率-溫度特性，溫控電路如圖7所示．

圖7 溫控電路原理圖Fig.7 Schematic diagram of temperature control circuit

2.6 小型化與抗干擾設計

本文所設計電路在滿足性能指標前提下，去掉增益控制電路，不僅簡化了電路設計，使得調試難度降低，有利于晶振小型化設計，同時增加了電路整體穩定性，且避免增益控制電路帶來的相位噪聲惡化．選取小體積LDO 電源芯片，表貼封裝電阻、電容等元器件減小電路元件體積．采用四層板電路設計，提高布局布線密度，減小電路板面積．采用對晶體直接進行加熱方案，減小晶振整體尺寸，最終實現小型化低噪聲恒溫晶體振蕩器設計，晶振實物及封裝尺寸如圖8所示．

圖8 (a) 10 MHz 晶振實物圖；(b) 10 MHz 晶振封裝尺寸圖Fig.8 (a) Picture of 10 MHz crystal oscillator; (b) Contour dimensional drawing of 10 MHz crystal oscillator

在元器件布局時注意按照信號流向關系，進行布線時避免走線過長，且避免銳角或者直角設計的出現．適當加寬電源線和地線，做到就近接地，并在電源芯片引腳與地線之間放置合適的去耦電容，同時增加一層完整的地平面，這些措施有利于提高晶體振蕩器電磁兼容性能．將控溫電路中的熱敏電阻、功率三極管與晶體放置在背面并盡可能貼在一起，減少熱量傳遞過程中的損耗，同時避免溫度過高對振蕩電路晶體管帶來的影響．

3 性能測試及結果分析

本文所設計的低噪聲10 MHz 晶體振蕩器，在完成了各部分電路的加工制作、實驗調試及參數優化后能實現長期加電連續穩定的工作．為了對晶振的性能進行評估，本文分別在時域和頻域對該晶體振蕩器的性能進行了測試．

首先，本文以CH1-75A 氫原子鐘（短期頻率穩定度為1.5×10?13/s）作基準參考源，用Picotime頻率穩定度測試儀對該晶體振蕩器的時域特性即頻率穩定度（Allan 方差）進行了測試，頻率穩定度的實測結果如圖9所示.其短期頻率穩定度秒穩為1.73×10?12/s，該穩定度指標已達到小型化高穩恒溫晶振水平．

圖9 10 MHz 晶振Allan 方差測試圖Fig.9 Allan deviation test plot for 10 MHz crystal oscillator

其次，本文用ROHDE&SCHWARZ FSW26 頻譜分析儀（無需外接參考源）對晶振各頻點輸出功率譜進行了測試，測試結果如圖10 所示．當參考電平為20 dBm 時，最終測得基頻諧振功率為8.16 dBm，二次諧波抑制為?41.39 dB，達到本文設計需求．

圖10 10 MHz 晶振頻譜測試圖Fig.10 Spectrum test plot for 10 MHz crystal oscillator

最后，本文用ROHDE&SCHWARZ FSWP26 相位噪聲分析儀（采用雙通道互相關技術，因此無需外接參考源）對該晶體振蕩器的頻域特性相位噪聲進行了測試，相噪測試結果如圖11 所示．測試結果表明，該晶體振蕩器具有良好的相噪特性，其近端相噪為?102.7 dBc/Hz@1 Hz、遠端相噪為?164.2 dBc/Hz@10 kHz．

圖11 低噪聲10 MHz 晶振相位噪聲測試曲線Fig.11 Phase noise test plot of low noise 10 MHz crystal oscillator

根據銣原子頻標的工作原理，其電路系統噪聲是限制銣頻標穩定度的關鍵因素之一，電路產生的交互調制噪聲即晶振輸出信號在調制頻率（fM）各諧波（僅需考慮偶次）處相位噪聲對銣頻標穩定度的貢獻可表達為[8]：

上式中f0為晶振輸出頻率，τ表示采樣時間間隔，P2n+1為傅里葉系數，S y(2nfM)為頻偏在2nfM處的噪聲功率譜密度，L(2nfM)為頻偏在2nfM處的相位噪聲．經過計算分析，因n＞ 1的高次諧波相噪影響非常小可忽略不計，故只需考慮n= 1即2fM處的相噪貢獻，針對本實驗室的銣原子頻標，調制頻率fM=136 Hz，晶振輸出頻率f0=10 MHz，本文實驗測得2fM處相噪為L(272 Hz) = ?155 dBc/Hz，代入式(4)和(5)計算得出，晶振相噪對銣頻標穩定度的貢獻為2.3×10?13/τ12，這表明該晶振可滿足穩定度優于5×10?13/τ12的高性能銣原子頻標設計需求．

與本實驗室早期研究工作[9]中所設計的晶體振蕩器相比，本文所設計低噪聲晶體振蕩器的設計電路采用2 級放大電路，因此各級電路增益要求不需要很高，增加了電路的穩定性，同時也提高了隔離度．且關鍵頻點的相噪特性得到進一步改善，在2fM處相位噪聲降低3 dBc/Hz，遠端相位噪聲降低12 dBc/Hz，晶振相噪對銣頻標頻率穩定度貢獻則降低了約30%，可滿足更高性能銣原子頻標需求．

4 結論

本文設計并實現了一款低噪聲小型化10 MHz 恒溫晶體振蕩器．振蕩電路采用柯爾匹茲并聯振蕩電路，利用Leeson 模型與ADS 仿真指導設計，通過選用低噪聲晶體管、提升回路品質因數、增大信號功率，實現了低相位噪聲要求；通過直放式溫控電路，將石英晶體溫度控制在頻率-溫度拐點處，減小外部環境溫度變化對晶體振蕩器輸出頻率的影響．對該晶體振蕩器的性能進行了測試和評估，測試結果表明，該晶體振蕩器具有良好的短期頻率穩定度（1.73×10?12/s）和優異的相位噪聲性能（近端?102.7 dBc/Hz@1 Hz、遠端?164.2 dBc/Hz@10 kHz），且其交調相噪對銣原子頻標穩定度的貢獻僅為2.3×10?13/τ12，因此它可作為本振信號源滿足高性能銣原子頻標的應用需求．

利益沖突

無