622.08MHz 低噪声压控晶振的研制-AET-电子技术应用

622.08MHz 低噪声压控晶振的研制

摘要： 超高频振荡器在通信中获得了广泛的应用，对封装小、频率高、相噪好、压控宽、稳定性高的高频晶振设计现在提出了更高的要求，本文给出了设计的讨论意见。

关键词： 超高频振荡器压控晶振噪声

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引言

如今，超高频振荡器在通信中获得了广泛的应用，如通信中继线路、电视、通信导航以及通信遥控系统等。超高频振荡器不仅被应用在各种通信系统的发送设备中，还作为接受设备的本机振荡器并用于各种测量设备中（标准信号发生器、频谱分析仪等）。因此，对封装小、频率高、相噪好、压控宽、稳定性高的高频晶振设计现在提出了更高的要求，本文给出了设计的讨论意见。

技术指标

晶振主要技术规格如下：

• 标称频率：622.08MHz；

• 输出信号类型：LVPECL；

• 占空比：45%/55%；

• 上升时间/下降时间：≤0.5nS；

• 输出低电平：≤1.65V MAX；

• 输出高电平：≥2.2V MIN；

• 输出负载：50Ω；

• 输入功率：3.3V±5%, ≤80mA；

• 相位抖动：1pS RMS MA （12KHz~20MHz）；

• 频率温度稳定度：≤±35PPM （-40℃ ~ +85℃）；

• 压控频率范围：±80~±170PPM（Vc = +1.65V ± 1.35V）；

• 封装：14mm×8.9mm×6.5mm（L×W×H）。

问题的分析和研究

晶振的输出频率为622.08MHz，要求频率高、压控范围宽、工作温区范围大、相位噪声低、相位抖动小、可靠性高、外形尺寸小。对于分米波段（特高频 UHF）的输出频率，如果采用低频基频晶体锁相高次倍频实现，则很难避免相噪中远端差。高基频晶体模拟电路低次倍频的方法在理论上可行，但目前国内基频晶体一般在70MHz以下。所以，为了实现高频率输出、宽压控范围，此次采用三次泛音155.520MHz晶体模拟电路4次倍频，从而实现高频率输出；采用特殊设计的电抗网络电路外接晶体，改变晶体C0对牵引率的影响，实现宽压控范围。由于4倍频要增加12dBc相位噪声，晶体外加电抗网络增加了电路复杂化，这两者大大增加了实现低相位噪声、晶振小封装的难度。

低相位噪声和宽压控，温度要求的实现

晶体的压控灵敏度高即调整系数大，意味着动态 Q 值小，或频率稳定性差。低相位噪声的实现和晶振的压控是相互制约的。该晶振的压控范围宽，因而频率要有更大的调整系数，电抗网络的增加与低相位噪声的实现产生矛盾，这需要通过电抗网络的参数选择而在压控和相噪之间找到平衡。

1. 石英谐振器的选择

石英谐振器本身具有一定的温度特性（如图1）。它也是低相位噪声实现的关键，此次采用了三次泛音155.520MHz晶体，由于采用了特殊的设计，具有小电阻、高Q值、良好的寄生抑制以及很好的老化特性。

图1 石英谐振器本身具有一定的温度特性

2. 电路设计

振荡电路方框图如图2所示。其中，主振级采用改进型柯尔匹兹电路（如图3）。为了减小频偏 1kHz的相位噪声，我们用提高信噪比的有效手段，加大了振荡级的输出幅度。为此振荡级采用集电极放大输出。此外，为降低相位噪声，要特别注意电路元件参数的选择和阻抗的转换。

图2 振荡电路方框图

图3 主振级采用改进型柯尔匹兹电路

3. 工作状态的选择

通常的电路知识告诉我们，频偏1kHz的低相位噪声对一般电路而言都进入了白噪声调相，主要是热噪声。各级工作电流在满足输出和谐波抑制的情况下应取最佳值，尽量减小噪声。白噪声源主要是晶体管，晶体管的工作点也特别影响晶振的频率稳定度。而对于高频泛音晶体来说，电路的激励要大于对基频晶体的激励。所以我们选用高频低噪声管，其工作电流为 5mA~6mA。同时这也解决了电源稳定度的要求。

4. 其它考虑

三极管的选用也很关键，要选用高β、高 ft 、低噪声管子，我们这次选用的ft为12GHz,并对元器件进行筛选和老化处理。

5. 压控范围的实现

采用三次泛音155.520 MHz石英谐振器，变容二极管与电抗网络设计在不同部位，增大了对C0的影响，再控制石英谐振器的出厂频差，实现了±80PPM~±170PPM的压控频率范围要求。

输出电平的实现

采用高频LVPECL门电路IC。选用门电路的过程中，要注意对IC的输入幅度、噪底、输出电平、占空比、负载波动、工作电流的测试，并对器件进行老化测试，从而实现要求。

信号放大、非谐振波抑制和相互隔离的问题

该晶振采用倍频方法达到 622.08MHz 输出，4倍频信号远小于初始频率信号，对于信号的放大、非谐波抑制及相互隔离的问题要着重注意。为此放大级采用高隔离的共集共基式，输出采用网络滤波，以抑制信号的泄漏。计算网络参数，非谐波抑制可达-40dBc。

可靠性研究

随着通信技术的发展，高频晶振的可靠性测试被越来越多的使用者所重视。

1. 元器件的选用

我们选用军品器件进行高低温储存、热冲击试验，筛选和老化处理，以保证晶振热性能的稳定。

2. 石英谐振器的选用

通常，石英谐振器通过普通环境条件测试而不损坏并不困难，但要求石英谐振器在极限环境条件下性能稳定就困难了。特别是在振动状态下要求振荡器相位噪声和短期频率稳定性能变化小是非常困难且难以实现的。因为石英谐振器是加速度的敏感元件，人们常用石英谐振器作加速度传感器，而在晶振中恰恰是要避开它的敏感性，以减小振动对振荡信号调制引起的频率不稳定性和相位噪声的增加。晶振要求石英谐振器的加速灵敏度性能指标尽量减小，晶振也要尽量克服和避开它对加速度的敏感性，而且泛音晶体要比基频晶体在各个环境条件下更差。为此特别考虑了以下要求：1. 石英谐振器原料的选用、结构设计和结构件材料选用、工艺过程的设计和实施技巧；2. 晶振结构设计、晶体安装方式、印制板设计和电装工艺技巧。

测试结果

频率温度稳定性

测试结果见表1、图4，可见温度稳定性满足要求。(单位：MHz)

表1 温度频率稳定度测试结果