622.08MHz 低噪聲壓控晶振的研制

引言

如今，超高頻振蕩器在通信中獲得了廣泛的應(yīng)用，如通信中繼線路、電視、通信導(dǎo)航以及通信遙控系統(tǒng)等。超高頻振蕩器不僅被應(yīng)用在各種通信系統(tǒng)的發(fā)送設(shè)備中，還作為接受設(shè)備的本機(jī)振蕩器并用于各種測量設(shè)備中（標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器、頻譜分析儀等）。因此，對封裝小、頻率高、相噪好、壓控寬、穩(wěn)定性高的高頻晶振設(shè)計(jì)現(xiàn)在提出了更高的要求，本文給出了設(shè)計(jì)的討論意見。

技術(shù)指標(biāo)

晶振主要技術(shù)規(guī)格如下：

• 標(biāo)稱頻率：622.08MHz；

• 輸出信號類型：LVPECL；

• 占空比：45%/55%；

• 上升時(shí)間/下降時(shí)間：≤0.5nS；

• 輸出低電平：≤1.65V MAX；

• 輸出高電平：≥2.2V MIN；

• 輸出負(fù)載：50Ω；

• 輸入功率：3.3V±5%, ≤80mA；

• 相位抖動(dòng)：1pS RMS MA （12KHz~20MHz）；

• 頻率溫度穩(wěn)定度：≤±35PPM （-40℃ ~ +85℃）；

• 壓控頻率范圍：±80~±170PPM（Vc = +1.65V ± 1.35V）；

• 封裝：14mm×8.9mm×6.5mm（L×W×H）。

問題的分析和研究

晶振的輸出頻率為622.08MHz，要求頻率高、壓控范圍寬、工作溫區(qū)范圍大、相位噪聲低、相位抖動(dòng)小、可靠性高、外形尺寸小。對于分米波段（特高頻 UHF）的輸出頻率，如果采用低頻基頻晶體鎖相高次倍頻實(shí)現(xiàn)，則很難避免相噪中遠(yuǎn)端差。高基頻晶體模擬電路低次倍頻的方法在理論上可行，但目前國內(nèi)基頻晶體一般在70MHz以下。所以，為了實(shí)現(xiàn)高頻率輸出、寬壓控范圍，此次采用三次泛音155.520MHz晶體模擬電路4次倍頻，從而實(shí)現(xiàn)高頻率輸出；采用特殊設(shè)計(jì)的電抗網(wǎng)絡(luò)電路外接晶體，改變晶體C0對牽引率的影響，實(shí)現(xiàn)寬壓控范圍。由于4倍頻要增加12dBc相位噪聲，晶體外加電抗網(wǎng)絡(luò)增加了電路復(fù)雜化，這兩者大大增加了實(shí)現(xiàn)低相位噪聲、晶振小封裝的難度。

低相位噪聲和寬壓控，溫度要求的實(shí)現(xiàn)

晶體的壓控靈敏度高即調(diào)整系數(shù)大，意味著動(dòng)態(tài) Q 值小，或頻率穩(wěn)定性差。低相位噪聲的實(shí)現(xiàn)和晶振的壓控是相互制約的。該晶振的壓控范圍寬，因而頻率要有更大的調(diào)整系數(shù)，電抗網(wǎng)絡(luò)的增加與低相位噪聲的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生矛盾，這需要通過電抗網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)選擇而在壓控和相噪之間找到平衡。

1. 石英諧振器的選擇

石英諧振器本身具有一定的溫度特性（如圖1）。它也是低相位噪聲實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，此次采用了三次泛音155.520MHz晶體，由于采用了特殊的設(shè)計(jì)，具有小電阻、高Q值、良好的寄生抑制以及很好的老化特性。

圖1 石英諧振器本身具有一定的溫度特性

2. 電路設(shè)計(jì)

振蕩電路方框圖如圖2所示。其中，主振級采用改進(jìn)型柯爾匹茲電路（如圖3）。為了減小頻偏 1kHz的相位噪聲，我們用提高信噪比的有效手段，加大了振蕩級的輸出幅度。為此振蕩級采用集電極放大輸出。此外，為降低相位噪聲，要特別注意電路元件參數(shù)的選擇和阻抗的轉(zhuǎn)換。

圖2 振蕩電路方框圖

圖3 主振級采用改進(jìn)型柯爾匹茲電路

3. 工作狀態(tài)的選擇

通常的電路知識(shí)告訴我們，頻偏1kHz的低相位噪聲對一般電路而言都進(jìn)入了白噪聲調(diào)相，主要是熱噪聲。各級工作電流在滿足輸出和諧波抑制的情況下應(yīng)取最佳值，盡量減小噪聲。白噪聲源主要是晶體管，晶體管的工作點(diǎn)也特別影響晶振的頻率穩(wěn)定度。而對于高頻泛音晶體來說，電路的激勵(lì)要大于對基頻晶體的激勵(lì)。所以我們選用高頻低噪聲管，其工作電流為 5mA~6mA。同時(shí)這也解決了電源穩(wěn)定度的要求。

4. 其它考慮

三極管的選用也很關(guān)鍵，要選用高β、高 ft 、低噪聲管子，我們這次選用的ft為12GHz,并對元器件進(jìn)行篩選和老化處理。

5. 壓控范圍的實(shí)現(xiàn)

采用三次泛音155.520 MHz石英諧振器，變?nèi)荻O管與電抗網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)在不同部位，增大了對C0的影響，再控制石英諧振器的出廠頻差，實(shí)現(xiàn)了±80PPM~±170PPM的壓控頻率范圍要求。

輸出電平的實(shí)現(xiàn)

采用高頻LVPECL門電路IC。選用門電路的過程中，要注意對IC的輸入幅度、噪底、輸出電平、占空比、負(fù)載波動(dòng)、工作電流的測試，并對器件進(jìn)行老化測試，從而實(shí)現(xiàn)要求。

信號放大、非諧振波抑制和相互隔離的問題

該晶振采用倍頻方法達(dá)到 622.08MHz 輸出，4倍頻信號遠(yuǎn)小于初始頻率信號，對于信號的放大、非諧波抑制及相互隔離的問題要著重注意。為此放大級采用高隔離的共集共基式，輸出采用網(wǎng)絡(luò)濾波，以抑制信號的泄漏。計(jì)算網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，非諧波抑制可達(dá)-40dBc。

可靠性研究

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，高頻晶振的可靠性測試被越來越多的使用者所重視。

1. 元器件的選用

我們選用軍品器件進(jìn)行高低溫儲(chǔ)存、熱沖擊試驗(yàn)，篩選和老化處理，以保證晶振熱性能的穩(wěn)定。

2. 石英諧振器的選用

通常，石英諧振器通過普通環(huán)境條件測試而不損壞并不困難，但要求石英諧振器在極限環(huán)境條件下性能穩(wěn)定就困難了。特別是在振動(dòng)狀態(tài)下要求振蕩器相位噪聲和短期頻率穩(wěn)定性能變化小是非常困難且難以實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)槭⒅C振器是加速度的敏感元件，人們常用石英諧振器作加速度傳感器，而在晶振中恰恰是要避開它的敏感性，以減小振動(dòng)對振蕩信號調(diào)制引起的頻率不穩(wěn)定性和相位噪聲的增加。晶振要求石英諧振器的加速靈敏度性能指標(biāo)盡量減小，晶振也要盡量克服和避開它對加速度的敏感性，而且泛音晶體要比基頻晶體在各個(gè)環(huán)境條件下更差。為此特別考慮了以下要求：1. 石英諧振器原料的選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)件材料選用、工藝過程的設(shè)計(jì)和實(shí)施技巧；2. 晶振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、晶體安裝方式、印制板設(shè)計(jì)和電裝工藝技巧。

測試結(jié)果

頻率溫度穩(wěn)定性

測試結(jié)果見表1、圖4，可見溫度穩(wěn)定性滿足要求。(單位：MHz)

表1 溫度頻率穩(wěn)定度測試結(jié)果

圖4 溫度頻率穩(wěn)定度

相位噪聲

相位噪聲曲線及抖動(dòng)見圖5、圖6。測試結(jié)果見表2?？梢娤嘣肱c抖動(dòng)較好。

表2 相位噪聲測試結(jié)果

圖5 相位噪聲曲線 圖6 相位噪聲

信號輸出特性

信號輸出特性曲線見圖7、圖8。測試結(jié)果見表3。

圖7 輸出信號諧波與主頻圖 圖8 頻偏100MHz外頻譜圖

壓控范圍

電壓0.3V至3.0V的頻率壓控范圍與線性見表4、圖9。

表3 信號輸出測試結(jié)果

表4 頻率壓控范圍與線性

圖9 頻率壓控范圍與線性

輸出電平

輸出波形見圖10。

圖10 輸出波形

輸入功率

電源電壓3.3V的輸入電流見表5，可見功耗較小。

表5 電源電壓3.3V的輸入電流

表6 振動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表7 沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表8 跌落實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)



環(huán)境條件測試

環(huán)境條件下的振動(dòng)、沖擊、跌落測試見表6，可見可靠性較高。以下為試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：

• 溫度沖擊：溫度范圍：-40℃~85℃ 保存時(shí)間：30min 循環(huán)次數(shù)：6 次

• 振動(dòng)（破壞性的）：依次按X、Y、Z三個(gè)互相垂直的方向試驗(yàn)，振幅為0.75mm，頻率為10Hz~55Hz，每個(gè)軸向掃描振動(dòng)各30分鐘。

• 沖擊（破壞性的）：依次按X、Y、Z三個(gè)相互垂直的方向試驗(yàn)，峰值加速度為1000m/s2，持續(xù)時(shí)間6ms，每個(gè)方向沖擊3次，波形為半正弦波。

• 跌落（破壞性）：晶體振蕩器從高75cm處自由跌落到混凝土平滑表面上，重復(fù)3次。

結(jié)束語

該晶振體積小、相噪好、壓控寬、頻譜優(yōu)、可靠性高。在遠(yuǎn)程中繼通信中，由于有可能產(chǎn)生銳定向輻射，因而使用此高頻晶振可以保證用較小的發(fā)射機(jī)功率實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信并大大降低鄰近通信線路之間的相互干擾及減小竊聽通信的危險(xiǎn)，適合通信系統(tǒng)中的中繼系統(tǒng)通信要求。