622.08MHz 低噪声压控晶振的研制

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