高稳恒温石英晶体振荡器设计.pdf

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1、第35卷第4期吉首大学学报(自然科学版)V0L35NO．42014年7月JournalofJishouUniversity(NaturalScienceEdition)Ju1．2014文章编号：1007—2985(2014)04—0043—03高稳恒温石英晶体振荡器设计熊琦，曾健平(1．湖南工业职业技术学院，湖南长沙410082；2．湖南大学物理与微电子科学学院，湖南长沙410012)摘要：通过对振荡器主振电路及控温电路的工作原理和设计思想的分析，设计了中心频率为50MHz的小型高稳恒温石英晶体振荡器．振荡器的主振级采用皮尔斯并联电路，控温电

2、路采用直放式连续温度控制电路，并改进了恒温槽结构，采用功率管槽内加热实现晶体的小型化．对试制样品的老化率、频率稳定度等进行了测试，得到了晶体振荡器的测试数据，与理论值相符．关键词：高稳定度；小型化；振荡器；主振电路；恒温楷中国分类号：TN384文献标志码：A石英晶体振荡器是目前精确度和准确度最高的振荡器，被广泛应用于移动电话系统、远程通信、卫星通信、全球定位系统(GPs)、导航、遥控、航空航天、高速计算机、精密计测仪器及消费类民用电子产品中，作为标准频率源或脉冲信号源提供频率基准，是其他各种类型的振荡器无法取代的．在各种类型的石英晶体振荡器中

3、，虽以恒温型晶体振荡器的体积最大，但由于其具有非常优越的性能，应用也非常广泛，目前其需求量日益增长，要求也更高。笔者设计了一种中心频率为50MHz的小型恒温晶体振荡器．相关文献研究表明，共射低频电流放大倍数不宜过大，否则难以提高振荡器的频率稳定度_1；稳压部分选用温度特性好的稳压二极管[2；温控电路由热敏电阻组成的电桥、直流电压放大电路及功率放大电路等构成I3]．绝热保温材料设计中，银膏胶封热敏电阻与恒温槽体紧密接触，是直放式恒温槽用于恒温控制行之有效的方法]．当保温层厚度减少后，晶振的频率温度特性并无恶化．Is-6]文中对主要技术指标进行测

4、试，结果表明，所设计的振荡器具有频率高、稳定度好等特性．1系统电路设计1．1振荡电路设计晶体振荡电路由主振电路、谐波抑制电路、电压放大和输出波形变换电路组成，其原理电路构成如图1示．图2为主振电路的原理图．主振电路选用扁平塑封晶体管、小型金属膜电阻和微型分立式电容安图1电路结构装的分立元件，器件选用时兼顾了零配件件的国产化、性能价格比以及晶振小型化等问题．*收稿日期：2014—03—21基金项目i湖南省教育厅科学研究项目(13C199)作者简介：熊琦(1957一)，男，湖南湘阴人，湖南工业职业技术学院教授，硕士，主要从事射频器件与集成电路研究

5、44吉首大学学报(自然科学版)第35卷图2主振电路原理电路中采用标称频率为50MHz、AT切的金属冷压焊封装的晶体谐振器．图2中的主振电路采用皮尔斯并联电路，由晶体管丁、晶振以及电容c，c，，C，C组成．设计中选用足够高的特征频率．厂．，，较小的共射电流放大倍数晶体管(过大的卢。值不利于提高振荡器的频率稳定度)．因此，只要保证了晶振起振，C和C应尽可能选取较大值，以便掩盖晶体管结电容及其他杂散电容带来的不利影响，同时还可以减小电阻尺，R折算到与谐振器串联的等效电阻，保证谐振器有较高的在线Q值．为了获得更高的谐振器在线Q值，更好的频率稳定度，选

6、取电容值较大的C，但c过大会使振荡器的频率很难校准到标称频率，每级晶体管集电极电源须接0．01F电容去耦．电阻电位器R，R。及R构成分压电路，其分压使变容二极管正常工作．变容二极管的容值随分压而改变，振荡电路的频率也随之改变，因而调整可变电位器R能够手动校准频率．调谐回路由变容二极管C、电阻R，R和电位器R构成．在稳压电路中选用温度特性良好的稳压二极管，以取代温度特性较差的三端稳压器．理论研究与实验测试表明，要很好地改善晶体振荡器的温度特性，就在电阻R并联1个正温度系数热敏电阻R．此外，在调试的过程当中，若测试到电路的振荡频率并不在上边频和下

7、边频的中心位置时，即可调整这个正温度系数热敏电阻R来获得改善．笔者通过合理的设计和布局，将图2中虚线框所示的振荡电路和前2级幅度放大器集成到一块PCB板上，并置于恒温槽中，更大程度地提高了幅度放大器的温度稳定性，同时又避免了恒温槽体积的增加．这种改进使得在不采用AGC(自动增益负反馈)电路的情况下，晶振的长期和短期频率稳定度没有明显的差别，有利于晶振的小型化．集成块6321具有倍频和波形变换作用，由于文中采用50MHz晶体，故无须倍频即可满足要求．振荡电路的噪声主要来自电路中的有源元件．为减少这些噪声，通常采用稳定的电源和理想的输出策略，适当

8、加宽电源线可减小环路电阻．电源线、地线的走向和数据传递方向一致，也有助于增强抗噪能力．同时，为了减小噪声从振荡器泄漏出去和噪声从其他设备进来，电源上通常采用旁路电容