一种基于门振荡电路的恒温晶振设计

方案，晶体振荡器原理框图如图1所示。电路部分主要由稳压电路、频率调节电路、振荡电路、放大电路、整形电路、控温电路六部分组成。

2.1 振荡电路

振荡电路是整个产品的核心，常用的晶体振荡器电路主要有串联反馈型振荡电路和并联反馈型振荡电路。因并联反馈型振荡电路能够尽量减少杂散电容和分布参数对频率稳定度的影响，电路应用频率范围较宽，频率稳定度较高，故振荡电路采用并联反馈型电容三点式振荡电路方案。但因传统振荡电路中放大器多采用晶体管，偏置电路相对复杂，且晶体管易受到极间电容影响，在高频振荡时容易对振荡状态带来影响；同时晶体管技术参数易受温度变化影响，也会对振荡电路温度系数带来恶化。为解决上述一系列问题，采用逻辑非门振荡电路，其交流等效电路如图2所示：

在逻辑非门振荡电路中，逻辑非门起到反相放大器的作用，它将输入的信号相移大约180°后输出；电容C2和电感L1并联组成B模和泛音抑制网络，在10MHz处等效为电容C2′，晶体谐振器等效为电感，与C1、C2′一起组成π型网络，产生另外180°相移，所以整个环路的相移为360°，从而满足了保持振荡的条件。反馈电阻RF产生负反馈，将反相器设定在中间补偿区附近，使反相器工作在高增益线性区域。R12为驱动限流电阻，主要功能是限制反相器输出，从而调整晶体谐振器激励电平。

由于逻辑门电路采用CMOS工艺，相对于晶体三极管，具有更低的闪烁噪声，因此采用该电路结构能实现更低的相位噪声指标；其偏置电路简单，元件数量相对较少，因此适于小体积设计；集成逻辑非门又具有低温漂特点，可以降低振荡电路的温度系数；为了降低相位噪声基底，本设计又选用了多个反相器并联的方式来提高激励电平，进一步降低远端相噪。

综合以上特点，区别于以往的晶体管振荡电路，该电路采用了逻辑非门振荡电路，它可以更好地满足低相噪、小体积、高稳定性等技术要求。

2.2 控温电路

控温电路主要起到维持晶体谐振器和关键器件温度恒定的作用，它直接关系到振荡器的稳定度要求。为了控制或消除环境温度变化对晶体振荡器输出频率的影响，获取稳定的频率输出，采用了带高精度运放反馈回路的直流连续放大式控温电路，在反馈回路中又采用了由高灵敏度电流检测器组成的电压反馈系统，显著地提高了控温电路的灵敏度和控温精度。图3给出了该控温电路的示意框图。

在恒温结构设计上，将主振电路、稳压电路、变容二极管及其它温度敏感器件均放置于恒温槽附近，降低与恒温区域的热梯度，进一步提高频率温度稳定性。

2.3 稳压电路设计

电源上的干扰是噪声的重要来源之一，电源上的噪声或纹波将使任何振荡器的相噪性能恶化。为保证稳压电路的稳定性，稳压电路采用低噪声线性稳压器，其噪声电压可达到20mVRMS，能有效减少电源电压变化及电源纹波对器件性能造成的影响。

2.4 频率调节电路

频率调节电路是通过改变串联在晶体一端的变容二极管上的电压，来改变变容二极管的电容，从而改变晶体的负载电容，达到改变晶振频率的目的。为避免压控频率调节输入端电压纹波对晶振噪声性能带来恶化，在压控输入端设计了低通滤波回路。

2.5 放大电路

由于主振电路输出为高阻，易受到负载的影响，因此要通过缓冲器输出。为实现更好的阻抗匹配，缓冲放大电路也采用了高输入阻抗的逻辑非门作为反相放大电路。

3 研制结果

根据上述电路设计，研制出了基于门振荡电路的10MHz恒温晶振，表1是其主要技术指标设计要求值与实际测试值的对照表。

相位噪声实际测试曲线见图4所示：

从上述的测试结果可看出，研制的基于门振荡电路的恒温晶振实现了超低相位噪声（近端1Hz处达到-110dBc/Hz，而远端100kHz及1MHz处达到-177dBc/Hz）和高频率温度稳定性（达到-10量级）的预期研制目标。

4 结束语

研制的基于门振荡电路的恒温晶振已进行了小批量生产，经用户使用验证后效果很好，该种电路达到的技术指标高、调试量又很少、一致性好，具有可生产性，有很好的应用前景。

参考文献

[1]沈伟慈.高频电路[M].西安：西安电子科技大学出版社，2000.

[2]赵声衡.石英晶体振荡器[M].湖南：湖南大学出版社，1997.

[3]稻叶保，何希才，尤可.振荡电路的设计与应用[M].北京：科学出版社，2004.

作者简介

孙晓英（1978-），女，山东省烟台市人。2001年于哈尔滨工程大学获学士学位，现为成都天奥电子股份有限公司工程师，从事晶体振荡器的研制工作。

作者单位

成都天奥电子股份有限公司 四川省成都市 611731

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