CN106533363A - 多门振荡低相噪恒温晶体振荡器 - Google Patents

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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/02—Details
    • H03B5/04—Modifications of generator to compensate for variations in physical values, e.g. power supply, load, temperature

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  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)

Abstract

本发明公开一种多门振荡低相噪恒温晶体振荡器，包括：金属屏蔽外壳、设置在金属屏蔽外壳内的振荡模块、恒温模块以及为整个电路提供稳定工作电源的稳压电路；所示稳压电路分别与振荡模块和恒温模块相连；所述振荡模块包括产生稳定低噪振荡信号的晶体、多门振荡电路、实现对多门振荡电路的信号缓冲和放大输出的多门缓冲输出电路，三者依次相连；为整个电路提供恒定温度的恒温模块包括温度传感器以及与温度传感器相连的温度控制电路，所述温度传感器设置在晶体上。本发明不仅体积小、电路可靠、调试简单、一致性好，适合批量生产。

Description

多门振荡低相噪恒温晶体振荡器
技术领域
本发明涉及电子、通信、雷达领域，尤其涉及一种多门振荡低相噪恒温晶体振荡器。
背景技术
晶体振荡器全称石英晶体振荡器，是一种高精密的振荡器，广泛应用于在军用、民用电子、通信、雷达等领域设备中，为设备提供一个精密的时钟基准信号，大致分为4类：通用晶体振荡器（SPXO）、压控晶体振荡器（VCXO）、温度补偿晶体振荡器（TCXO）和恒温晶体振荡器（OCXO）。
随着技术的发展和需求，对恒温晶体振荡器的指标（低相噪、小体积、高稳定度等）要求越来越高。目前高频低相噪晶振主要使用低噪声晶体管作为振荡和缓冲输出的关键器件，这种实现方式主要缺点是体积大（国内最小为20mm×20mm×10mm）、调试工作量大、频率温度稳定度不高（10E-7量级）、工作电压高（+12V）。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种体积小、电路可靠、调试简单、一致性好，适合批量生产的多门振荡低相噪恒温晶体振荡器。
本发明的技术方案：
一种多门振荡低相噪恒温晶体振荡器，包括：金属屏蔽外壳、设置在金属屏蔽外壳内的振荡模块、恒温模块以及为整个电路提供稳定工作电源的稳压电路；所示稳压电路分别与振荡模块和恒温模块相连；所述振荡模块包括产生稳定低噪振荡信号的晶体、多门振荡电路、实现对多门振荡电路的信号缓冲和放大输出的多门缓冲输出电路，三者依次相连；为整个电路提供恒定温度的恒温模块包括温度传感器以及与温度传感器相连的温度控制电路，所述温度传感器设置在晶体上。
进一步地，所述的多门振荡电路包括B模抑制电路、振荡晶体和至少2个并联的非门；所述B模抑制电路与所述振荡晶体串联后与非门并联。
进一步地，所述的多门缓冲输出电路包括至少2个并联的非门，所述非门并联后的输出端接滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端即所述的多门振荡低相噪恒温晶体振荡器的输出。
进一步地，所述的温度控制电路包括运放和MOS功率管，温度传感器把晶体内部温度转换成电压值，运放把该电压值和参考值的差值进行放大，控制MOS功率管的栅极，进而使MOS功率管的电流相应改变。
进一步地，所述晶体下面设置有用于加热晶体的导热板，所述导热板与MOS功率管相连。
进一步地，所述的多门振荡电路包括4个非门。
进一步地，所述的多门缓冲输出电路包括4个非门。
本发明的有益效果：
本发明具有小体积、低功耗、高温度稳定度、低相噪、高频率、低工作电压、调试工作量小、一致性好、适合批量生产的优点。
附图说明
图1为多门振荡低相噪恒温晶体振荡器的示意图。
图2为多门振荡电路示意图。
图3为多门缓冲输出电路示意图。
图4为温度控制电路示意图。
图5为热结构示意图。
附图中，1-非门，2-B模抑制电路，3-振荡晶体，4-滤波电路，5-电源，6-运放，7-晶体，8-导热板，9-MOS功率管。
具体实施方式
如图1所示，一种多门振荡低相噪恒温晶体振荡器，包括：金属屏蔽外壳、设置在金属屏蔽外壳内的振荡模块、恒温模块以及为整个电路提供稳定工作电源的稳压电路；所示稳压电路分别与振荡模块和恒温模块相连；所述振荡模块包括产生稳定低噪振荡信号的晶体、多门振荡电路、实现对多门振荡电路的信号缓冲和放大输出的多门缓冲输出电路，三者依次相连；为整个电路提供恒定温度的恒温模块包括温度传感器以及与温度传感器相连的温度控制电路，所述温度传感器设置在晶体上。
本发明为达到高频低相噪目的，稳压电路中的稳压器采用小体积宽温区低压差、低噪声的LDO，RMS噪声小于10uV，噪声越小越好，为振荡电路提供更低噪声的工作电压。
降低晶振的输出信号的相位噪声大致有以下几种办法：提高工作电压、选用低噪声器件、提高振荡电路的输出电平、选用更高Q值的晶体，本发明的思路是：在同样晶体的前提下，降低工作电压、提高振荡电路的输出电平、选取低噪声的器件，而较低的工作电压和提高振荡电路的输出电平有相互矛盾，为了解决这个矛盾，应选取工作电压低、低噪声且放大倍数大的晶体管，所以本发明另辟蹊径选取非门代替晶体管，因为非门电路的放大倍数理论上无穷大，但一个非门的的驱动能力有限，采用多个非门时有带来噪声大的问题，所以在权衡放大倍数和噪声的时，采用非门的个数可以根据需要和实际调试结果定，本发明一般采用4个非门作为振荡，达到最佳相噪，见图2。所述的多门振荡电路包括B模抑制电路2、振荡晶体3和至少2个并联的非门1；所述B模抑制电路2与所述振荡晶体3串联后与非门1并联。
在高精密振荡器电路中，考虑到负载牵引对频率精度的影响和输出信号幅度和噪声的考虑，一般在振荡电路后面加一个输出缓冲电路，增大输出和振荡电路的隔离度和输出信号幅度。同样，选取输出缓冲用的器件时，要考虑器件的噪声、放大倍数和驱动能力，噪声越低整个晶振输出信号相噪越好，放大倍数越大隔离度越好，输出电流越大驱动能力越强隔离度，从而达到输出与振荡见较高的隔离、较强的带载能力与较大的输出幅度和较低的相噪。综合考虑上述几方面的因素，在工作电压较低的情况下，选用多门作为缓冲输出电路，综合指标比常用的晶体管要好，本发明选用4个非门作为缓冲输出电路，取得了很好的效果，见图3。所述的多门缓冲输出电路包括至少2个并联的非门1，所述非门1并联后的输出端接滤波电路4的输入端，所述滤波电路4的输出端即所述的多门振荡低相噪恒温晶体振荡器的输出。
温度控制电路，见图4，主要包括运放6和MOS功率管9，温度传感器（热敏电阻）把晶体7内部温度转换成电压值，运放6把该电压值和参考值的差值进行放大，控制MOS功率管9的栅极，进而使MOS功率管9的电流相应改变，是晶体7内部的温度达到设定的温度，是内部温度区域相对的稳定，达到恒定温度的要求。由于本发明的恒温晶振体积小，内部空间很小，整个晶振的热容量很小，只能采用直接对晶体7加热，所以要求功率管选用小封装大功率的MOS功率管9而且管子线性要很好，这样控温精度会更高，从而实现更好的温度稳定度。
由于空间小，直接对晶体7加热，热结构设计尤为重要，经过长期摸索，本发明采用了一种新颖的热设计，见图5，所述晶体7下面设置有用于加热晶体7的导热板8，所述导热板8与MOS功率管9相连。本发明温度稳定度指标：在工作温区-40～+70℃下，频率温度稳定度±3E-8，比一般低相噪恒温晶振的温度稳定度（E-7）高出一个数量级。
本发明能实现实现的指标：频率：100MHz，体积20.3mm×13.2mm×8.5mm或者20×20×8.5mm3，温度稳定度：3E-8，工作电压：+3.3V或+5V，相噪：＜-100dBc/Hz@10Hz；＜-130dBc/Hz@100Hz；＜-159dBc/Hz@1kHz；＜-172dBc/Hz@10kHz；＜-176dBc/Hz@100kHz，而且本发明具有调试工作量小，一致性好，适合批量生产的优点。
表1对比试验数据
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种多门振荡低相噪恒温晶体振荡器，其特征在于：金属屏蔽外壳、设置在金属屏蔽外壳内的振荡模块、恒温模块以及为整个电路提供稳定工作电源的稳压电路；所示稳压电路分别与振荡模块和恒温模块相连；所述振荡模块包括产生稳定低噪振荡信号的晶体（7）、多门振荡电路、实现对多门振荡电路的信号缓冲和放大输出的多门缓冲输出电路，三者依次相连；为整个电路提供恒定温度的恒温模块包括温度传感器以及与温度传感器相连的温度控制电路，所述温度传感器设置在晶体（7）上。
2.根据权利要求1所述的多门振荡低相噪恒温晶体振荡器，其特征在于：所述的多门震荡电路包括B模抑制电路（2）、振荡晶体（3）和至少2个并联的非门（1）；所述B模抑制电路（2）与所述振荡晶体（3）串联后与非门（1）并联。
3.根据权利要求1所述的多门振荡低相噪恒温晶体振荡器，其特征在于：所述的多门缓冲输出电路包括至少2个并联的非门（1），所述非门（1）并联后的输出端接滤波电路的输入端，所述滤波电路（4）的输出端即所述的多门振荡低相噪恒温晶体振荡器的输出。
4.根据权利要求1所述的多门振荡低相噪恒温晶体振荡器，其特征在于：所述的温度控制电路包括运放（6）和MOS功率管（9），温度传感器把晶体（7）内部温度转换成电压值，运放（6）把该电压值和参考值的差值进行放大，控制MOS功率管（9）的栅极，进而使MOS功率管（9）的电流相应改变。
5.根据权利要求4所述的多门振荡低相噪恒温晶体振荡器，其特征在于：所述晶体（7）下面设置有用于加热晶体（7）的导热板（8），所述导热板（8）与MOS功率管（9）相连。
6.根据权利要求2所述的多门振荡低相噪恒温晶体振荡器，其特征在于：所述的多门振荡电路包括4个非门（1）。
7.根据权利要求3所述的多门振荡低相噪恒温晶体振荡器，其特征在于：所述的多门缓冲输出电路包括4个非门（1）。
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