（微电子学与固体电子学专业论文）小尺寸恒温晶体振荡器的研制.pdf

华中科技大学硕- _ k 学位论文 摘要 z 9 5 3 本论文研究课题是“十五”国家重点技术创新项目“通信用表面安装晶体谐 振器和晶体振荡器”的子课题。( 为获得高精度、高频率稳定度、小体积恒温石英 晶体振荡器( o c x o ) ，通过采用计算机辅助设计技术对振荡电路、控温电路、恒 温槽结构方面的精心设计，特别是对温度控制方法的改进，实现了一种频率稳定 度达到l o 。8 数量级的小体积、低功耗、升温快、重量轻的较为理想的恒温晶振心 论文主要研究内容如下： 1 ) 石英晶体谐振器的特性研究和设计要求。主要论述了晶体谐振器的基本特性： 物理特性、频温特性、电气特性、老化特性以及生产工艺流程和主要技术参数。 并针对恒温晶体振荡器用谐振器，分析了技术参数的选择和工艺设计对振荡器性 能的影响。 2 ) 石英晶体振荡器的设计和性能研究。主要讨论了晶体振荡电路的基本类型和原 理，集成化门振荡电路的设计和结果，论述了高频振荡电路抗干扰设计的实现措 施。 3 ) 数字控温电路的设计和研究。采用数字测温芯片作为温度传感器，论述了控温 电路硬件结构设计和控温流程；应用p i d 控制算法对温度偏差进行修正，计算出 控制量由p w m 技术实现对加热电阻丝加热功率的控制。对经典p i d 算法进行了 积分分离智能控制的优化，实验测量的控温精度范围达0 1 2 c ，且易于实现参数 、 调节。也 4 ) 恒温槽的结构和性能研究。( 阐述了恒温槽的结构设计，并从热学角度分析和计 算出恒温槽温度场的分布；经过恒温槽结构的改善和对温度漂移的精确补偿，由 实验测试比较改进前后槽内温度变化情况，证明改进措旖效果明显，频温特性得 到显著改善。、 关键词：恒温晶体振荡器jp i d 控制ip w m 技术i 恒温槽j 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t ag r e a tn u m b e ro fc r y s t a lo s c i l l a t o r sa r eu s e di nc o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t , m e a s u r i n gi n s t r u m e n t s ，n a v i g a t i o n 、r a d a r 、m o b i l ec o m m u n i c a t i o n 、p r o g r a m e d t e l e p h o n e 、c o m p u t e r s ，a u d i o v i s u a le q u i p m e n t e t c w h e nt h a th i g h 丘e q u e n c ys t a b i l i t y o f1 0 p p b d a yo rm o r ei s r e q u i r e d ，o v e nc o n t r o l l e dc r y s t a lo s c i l l a t o r s ( o c x o s ) a r e g e n e r a l l yu s e d i np a r t i c u l a r , o c x o s w i t i la t c u tc r y s t a lu n i t sa r ew i d e l yu s e db e c a u s e o f t h e i rl o wc o s ta n de a s eo f f f e q u e n c y a d j u s m a e n t t of u l f i l lt h e r e q u i r e m e n t sf o r 丘e q u e n c ys t a b i l i t y , p o w e rc o n s u m p t i o ns i z e ， w a l t n - u pt i m e ，m e c h a n i c a le f f e c tr e s i s t a n c ee t c b a s e do n t h ep r i n c i p l eo fo v e nc o n t r o l c r y s t a lo s c i l l a t o r ，ak i n do fn e wo c x oi sd e s i g n e d t h r o u g hd e l i c a t ed e s i g n i n go ft h e c i r c u i ta n dt h eo v e ns t r u c t u r e ，t h eo v e nt e m p e r a t u r ep r e c i s i o nc a nb ec o n t r o l l e dw i t h i n o 1 a n dt h eo c x oc a nm e e tt h ed e s i g n i n gr e q u i r e m e n t t h em a i nc o n t e n to f t h i st h e s i si sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h e m o d e l o f q u a r t zc r y s t a lr e s o n a t o r a n dc r y s t a lo s c i l l a t o r t h em o d e la n dt h e f u n c t i o ni nc i r c u i t so fq u a r t z c r y s t a l o s c i l l a t o ra r ed i s c u s s e dh e r e ，a n dt h e nw e i n v e s t i g a t et h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fc r y s t a lo s c i l l a t o rc i r c u i t sa n dt h ei n f l u e n c et h a t d i v e r s i f i e df a c t sh a v eo no s c i l l a t o rc i r c u i t s a tt h es a l l 2 et i m ew ed i s c u s s e dt h ew o r k i n g p r i n c i p l e o fo s c i l l a t o rt h a th a v eb e e nu s e di n m yd e s i g ni n d e t a i l st h o u g h ts o m e c a l c u l a t i o n si nt h e o r y ( 2 ) t h es t u d y o fd i g i t a l t e m p e r a t u r e p i dc o n t r o l s y s t e m aw a yo fu s i n g p i c l 6 f 8 4s e r i e sm i c r o p r o c e s s o rs o f t w a r ep r o g r a mt oc o m p l e t ep i dc o n t r o la l g o r i t h m a n dp w mc o n t r o la n di si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s i th a sg o ts o m ea d v a n t a g e so f s i m p l e c i r c u i t ，e a s ya d j u s t m e n t a n d r e l i a b i l i t yo f c o n t r 0 1 ( 3 ) t h er e s e a r c ho fc r y s t a lo v e ns t r u c t u r e c r y s t a lo v e n sd e s i g n e dt oh a v el o w t h e r m a lg r a d i e n t sw i t h i nt h eo v e nm a s sa r ed e s c r i b e db o t hf r o mat h e o r e t i cv i e w p o i n t ， a n d 、i 也a c t u a le x p e r i m e n t a t i o n i ft h ee l e c t r o n i c sa r ep e r f e c tt h e nt h es t a b i l i t yo ft h e o v e n 、i t l lr e s p e c tt ov a r y i n ga m b i e n tt e m p e r a t u r ew i l lb ed e t e r m i n e db yh o w c l o s e l y t h ec r y s t a lt e m p e r a t u r et r a c k st h ed s l 8 8 2 0 s t e m p e r a t u r e h e n c e ，t h eo b j e c to f g o o d o v e n d e s i g n i st om i n i m i z ec r y s t a l d s l 8 8 2 0t r a c k i n ge r r o r k e y w o r d s ：o v e n c o n t r o l l e dc r y s t a lo s c i l l a t o r s ( o c x o s )p dc o n t r o l p w mo v e n c r y s t a l r e s o n a t o r i i 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 随着科学技术的发展，特别是在全球定位系统、通信、计量、遥测遥控，时 间与频率计量等领域，对振荡频率的精确度、稳定度提出越来越来高的要求。因 而，对高稳定度频率源的研究有非常重要的意义。 晶体振荡器作为其基准频率源广泛应用于邮电、通讯、网络、计算机、国防 工业、g p s 全球定位系统及家用电器、仪器仪表、钟表工业等方面。它是上述电 子设备的关键部件，被称为此类电子设备的“心脏”。随着数字技术的高速发展， 晶体振荡器应用领域将更加广泛，需求量将越来越大。 石英晶体振荡器是目前精确度和稳定度最高的振荡器。当前石英晶体振荡器 技术在朝着小型化、片式化、高精度和高稳定化、低噪声、高频化、低功耗、启 动快方向发展。 1 1 石英晶体谐振器的发展动态 晶体谐振器是构成一定精度要求的振荡源的核心部件。按其精密程度可以分 为：精密晶体谐振器、用于温补晶振的中精度晶体谐振器和品种繁多的普通晶体 谐振器等。按晶体谐振器是否有引线可以分为：带引线式和不带引线式( 即片式) 。 石英晶体谐振器的技术水平决定了石英晶体振荡器的技术水平【1 1 。 1 1 1 晶体谐振器发展历史2 1 早期的电子产品主要用l c 振荡器制作频率器，频率稳定度只能达到1 0 。4 量级。 从1 8 9 0 年居里夫人发现水晶( q - s i 0 2 ) 具有“压电效应”起，揭开了人类 利用“石英稳频”的新时期。 4 1 年后( 1 9 2 1 年) ，英国人c a d y 用x 切5 0 k h z 石英晶体制成了世界上第一台 晶体振荡器，频率稳定度为1 0 一5 量级，比l c 振荡器提高了一个数量级，并将其用 于无线电广播，播出了当时稳定度最高的无线电信号，在国际上引起了强烈的反响。 1 9 3 4 年德国的b e c h m a n 、英国的l a c k 和日本的古贺几乎同时发现了具有优 良温度频率特性的a t 、b t 切石英谐振器；1 9 3 7 年后，又相继研制出了c t 、d t 、 华中科技大学硕士学位论文 e t 、f t 切石英谐振器；1 9 4 0 年m a s o n 发现了g t 切小温度系数谐振器。 1 9 5 2 年，英国贝尔实验室w a r n e r 研制成功a t 切五次泛音的5 m h z 、2 5 m h z 高精度石英谐振器，其q 值达( 2 5 5 ) 1 0 6 ，用它制作的高稳定度石英晶体振 荡器日稳定度可以达1 0 “o 以上。 1 9 6 1 年至1 9 7 4 年，l a g o s e c 、h o l l a n d 等研制出了双转角i t 、r t 、f c 、s c 切石英晶体谐振器。 近年来，法国b e s a n c o n 利用严密的工艺制成了无电机式谐振器( b v a 石英谐 振器) ，它不存在电极膜应力老化影响，降低了表面损耗，使q 值更高。 如今普通的晶体谐振器开始采用陶瓷的封装形式、陶瓷金属+ 金属形式，尺 寸趋向减小，片式谐振器的高度从4 m m 降至1 2 m m ，而且有进一步的缩小趋势。 据报道，目前国际上尺寸最小的表面安装片式石英晶体谐振器是k i n s h e k i 公司的 产品，尺寸为5 o 3 2 1 3 m m 3 。 1 1 2 石英晶体谐振器发展趋势 目前精密晶体谐振器逐步向微晶、适应表面贴装( s m t ) 、晶体谐振器与振荡 器集成电路一体化封装、体积越来越小等方向发展。近年来由于离科技产品如移 动通讯、网络系统、全球定位系统的高速发展以及数字电路的广泛应用，晶体谐 振器呈快速增长的态势。 随着现代电子信息产业的飞速发展，电子整机小型化的发展趋势b 趋明显，表 面贴装技术( s m t ) 迅速普及，这对表面贴装电子元器件( s m c 、s m d ) 的需求更加迫切。 现在，石英晶体元器件的s m t 化是大势所趋，国外许多著名的厂商正大力调整结构， 大量压缩传统封装形式的晶体元器件生产，代之以小型化、s m t 化晶体产品。 1 2 晶体器件发展动态 1 2 1 晶体元件的分类 石英晶体元器件一般分为两大类，即石英晶体振荡器和石英晶体滤波器。 其中，国际电工委员会( iec ) 将石英晶体振荡器分为4 类1 4 l ：即普通晶体 华中科技大学硕士学位论文 振荡器( sp x0 ) 、电压控制式晶体振荡器( vc x0 ) 、温度补偿式晶体振荡 器( t cx o ) 、恒温控制晶体振荡器( ocx0 ) 。当前石英晶体振荡器的发展， 不仅表现在系列品种的增加和市场需求量的增长方面，而且体现在产品技术创新 上。技术方面主要有以下几点：a 小型化、薄型化和片式化；b 高精度与高稳定 化；c 低噪声，高频化；d ，低功耗，启动快。 1 2 2 振荡器发展动态 恒温晶体振荡器 恒温晶体振荡器是目前频率精确度、稳定度最高的振荡器，亦被称为高稳定 度晶体振荡器。它作为精密时频信号源被广泛应用在全球定位系统、通信、计量、 遥测遥控，频谱及网络分析仪等电子仪器中。 恒温晶体振荡器在其发展历程中性能和尺寸上都有很大进步，然而由于晶体 管、集成电路、以及混合结构的使用，最富戏剧性的改进是尺寸。尺寸缩小的结 果是可以生产出1 立方英寸的精密元件， 右，用s c 切晶体可达1 0 4 。 在恒温控制的晶振技术发展历程中， 晶体管的使用； 精确的泛音谐振腔： 采用热敏电阻温度补偿网络； 数字技术在温度补偿中的应用； s c 切割晶体的发现； 现在使用的许爹匣温晶振精度在1 0 8 左 较为关键的技术革新【5 】有 双模式晶体振荡器的研制： 混合电路和微电子技术的应用； 采用真空隔热技术； 将微处理器用于温度补偿及输出信号的合成； 、 蚀刻技术在甚高频( v h f ) 波基型晶体中的使用。 最早用于频率控制的石英晶体振荡w g c a d y 制成。它包括一个将输出通 过晶体耦合到输入的放大器。x 切割晶体和两幅电极一起使用，一端联到输出管 的阳极电路，另一端联到放大器输入端的栅极电路。 华中科技大学硕士学位论文 最早的晶体时钟，是h o r t o n 和m a r r i s o n 于1 9 2 7 年制造的。该晶体时钟使用 一个用两片重金属路极片支撑的5 0 k h z x 切割矩形石英块。这已被石英环所取代， 该环形晶体一直被使用，直到1 9 3 7 年在贝尔实验室被g t 切割晶体所取代。由于 两种模式的对消作用，g t 切割晶体具有在相当大的温度范围内保持零的温度系 数。 在这一阶段的开始及随后的几年中，所执行的恒温频率标淮使用将晶体置于 恒温箱中的真空管，通常使用杜瓦瓶以将热量损失减到最小。该标准尺寸大，常 被设计安装在一个1 9 英寸的继架上。 2 0 世纪5 0 年代，所确立的标准之一是柯林斯( o i u m ) 广播公司的4 0 k 一1 型 振荡器。该振荡器大小为1 8 7 8 8 3 4 x7 立方英寸，并且在用个杜瓦瓶的 恒温箱中，使用频率为1 m h z 的基模晶体。持续工作一个月后，表明其每天的老 化率接近于1 x 1 0 。1 。1 0 0 0 多个这样的振荡器用于美国国防系统。 随着晶体管的使用，为恒温频标提供了丰富的改进余地，是恒温箱中包含隔 离放大器、振荡器部件和a g c 电路变得可能和实际。但是，晶体管部分温漂移严 重，只是强行地被置于恒温箱中。 6 0 年代早期地精密标准通常使用五次泛音晶体，它由w a r n e r 由贝尔通信实验 室研制成功，并由b l i e y 电子公司生产。其驱动电平受a g c 电路的限制，以最大 限度地降低其老化率。晶体的每天老化特性通常为3 x1 0 “o ，有很多晶体可达到每 天i x l 0 0 1 ，。这一温度稳定性标准非常好，每摄氏度可达约5 x 1 0 。1 1 。其所需功率 比今天的标准大，大约为2 5 瓦特，使用泡袜塑料绝缘，加热时间3 0 分钟。海军 战术数据系统中使用的一种典型元件的尺寸为1 2 4 8 2 2 e r a 3 。 摩托罗拉公司研制出双恒温箱频标，采用q 值为四百万，频率为2 5 m h z 的 五次泛音a t 切谐振腔。该元件从0 一3 5 度变化时恒温性为1 5 1 0 1 0 老化 率为5 1 0 一。 6 0 年代研制出的另一个恒温成果时直流恒温控制电路的使用。 1 9 7 4 年由e e r n i g e 发现的s c 切割晶体的出现，使温差标准灵敏度大大降低。 当采用a t 切割晶体时，在大的温度范围内频率稳定性约为l x l 0 ，而采用s c 切 割晶体时要提高到1 1 0 棚分之几。采用s c 切晶体，也使加热时间明显减短。全 球定位系统中从- - 5 5 度接通的加热时间可达3 分钟。1 9 7 8 年，h e w l e t ep a c k a 设 华中科技大学硕士学位论文 计了一种直流恒温控制电路振荡器，该振荡器装有晶体电热器和s c 晶体。 在此阶段末，采用混合结构技术可减小恒温标准的尺寸，且在恒温组装中常 使用混合电路。由美陆军负责的战术微型晶体振荡器( t m x o ) 的一个明显进步是功 率和尺寸的减小，其中的许多工作是在7 0 年代中期至8 0 年代完成的。t m x o 在 恒温组装中使用了混合结构技术，该恒温组装放置于一直空盒内，总体积约为1 立方英寸，功耗仅为2 5 0 毫瓦，温度从一4 0 至十7 5 。c 时其温度稳定度为土1x l o 一。 在最近几年，国外已经定型生产的1 1 2 0 s 型低噪声5 m i - z 晶体振荡器、采用 s c 切t o 封装石英谐振器的l i p 1 0 8 11 a b 小型1 0 m h z 高稳定度晶体振荡器、采用 5 次泛音a t 切b v a 石英谐振器的3 6 01 型超高稳定度晶体振荡器、采用5 次泛音 s c 切石英谐振器的超级稳定度低噪声1 0 0 m h z 晶体振荡器、s c 切5 0 0 m h z 甚高频 高稳定度晶体振荡器、b t 切1 5 g h z 晶体振荡器，均具有较高的性能指标 6 】o 随着新技术、新工艺、新材料的发展，高稳定度的晶体振荡器的发展也是相 当的迅速。特别是进入9 0 年代、高稳定度晶体振荡器的日老化率、年漂移、时域 稳定度、频域稳定度、开机特性、温度频差均提高一个数量级以上；加速度灵敏 度、辐射灵敏度改善了2 个数量级以上；而功耗降低到1 1 0 ；体积减小到1 2 0 ： 重量减小到1 1 0 ：价格却下降1 2 左右。其性能价格比的提高是巨大的。目前国 际上最小的表面安装式晶体振荡器的尺寸为7 0 5 0 x1 7 r a m 3 6 1 。 国内高稳定度晶体振荡器【1 1 我国6 0 年代初开始研制高稳定度晶体振荡器，1 9 6 4 年研制出了目老化率达 1 0 9 1 0 - ”量级的高稳定度晶体振荡器，频率局限于1 0 0 k i - i z 、1 m h z 、2 5 m h z 、 5 m h z 。6 0 年代中期和7 0 年代中期发展比较缓慢。从7 0 年代末开始，我国的晶 振的研制与生产从性能指标、品种规格到工作频率各方面均得到了迅速的发展。 但整体水平与国外相同时期的水平相比仍然具有比较大的差距。 高稳定度晶体振荡器具有良好的开机特性，频率长、短期稳定度高，相位噪 声小，但价格昂贵，因此适用于对频率稳定度要求高的电子设备及精密测量仪器、 等。此外高稳定度的晶体振荡器加温时间较长、体积较大且功耗也较大，这就限 制了它的应用范围。快速加温小型恒温晶体振荡器的研制是高稳定度晶体振荡器 的发展方向。 华中科技大学硕士学位论文 目前国内的发展主要要解决一些技术问题：研制、生产高稳定度晶体振荡器 专用的集成芯片，将晶体振荡、放大、温控电路及标准电源集成到一块芯片上， 这样高稳定度晶体振荡器的体积和功耗将大幅度降低。晶体振荡器与放大电路的 设计与制作应在满足工作频率范围的条件下实现超低噪声、高的频率长、短期稳 定度之要求。温控电路的设计与制作应满足温控精度高与灵敏度高之要求，尽可 能的减小热过冲对频率稳定度的影响。采用表面安装技术，以减小体积，提高工 作可靠性与稳定性。研制生产高性能的晶体谐振器。采用快速加温技术，尽可能 的减小高稳定度晶振进入正常工作的加温时间。 温度补偿晶体振荡器 温度补偿晶体振荡器是除高稳定度晶体振荡器外的第二大类的晶体振荡器。 虽然其频率稳定度及温度频差虽比高稳定度晶体振荡器低1 3 个数量级，但却比 普通晶体振荡器高1 3 个数量级，而且具有体积小、重量轻、耗电小、开机即能 正常工作等突出特点，所以在通讯、导航、航空航天、程控交换机、通用仪器等 军用、民用电子设备中应用十分广泛。因此国内外对温度补偿晶体振荡器的研制 与生产均十分重视巾j 。 温度补偿晶体振荡器分为模拟温度补偿晶体振荡器与数字温度补偿晶体振荡 器两种。 对于国外的温度补偿晶体振荡器来说，1 9 8 8 年c e p e 公司开始批量生产的模 拟温度补偿晶体振荡器在- 4 0 - + 8 5 c 的宽温度范围内，且记入电源电压变化、负载 变化、老化影响等后的频率稳定度可以达到2 l o 一，而功耗在低频段只有 ( 0 6 - - 3 ) m w 、高频段也在( 1 8 5 ) n w 之间。投产的数字温度补偿晶体振荡器温 度频差特性相对来说比较的高，但功耗体积、重量都比较的大。随着微电子技术 和材料科学的进步，使得数字式温度补偿晶体振荡器的功耗和体积大大的减小。 目前，实力雄厚的m o t o r o l a 、s a m s u n g 、k i n s e k i 等公司研制的数字式温补晶 振，其频率稳定度已经达到l 1 0 - 7 。在9 6 年，国际上的表面安装片式t c x o 尺寸为最小为7 9 1 9 r a m 3 。2 0 0 2 年1 月网上发布由k y o c c r a 公司生产的k t 2 0 系列模拟v c t c x o ( 压控温度补偿晶体振荡器) 是一种超小型轻重量器件，最大尺 寸仅为5 2 x 3 4 x 1 5 m m ，重6 5 r a g ，据称是世界上可进行模拟补偿的最小的晶体振 荡器。这种小型化设计有助于减小终端产品的尺寸。该系列器件集成了温度传感 华中科技大学硕士学位论文 器热敏电阻元件、电阻和电容器，相位噪声特性为1 4 5 d b c h z ，谐波比为8 d b c 。 目前我国的1 0 。量级的模拟温度补偿晶体振荡器已可批量生产、5 1 0 7 量级的模拟温度补偿晶体振荡器已进入试生产阶段。数字补偿晶体振荡器的温度 频差在- 4 0 - - + 7 0 温度变化范围内已达2 1 0 。微机补偿晶体振荡器的温度频 差在一4 0 - - + 6 2 c 温度变化范围内已达5 1 0 一。可见我国的温度补偿晶体振荡器 的技术水平提高速度是非常快的，当然，与国外发达国家相比，还有一段距离。 差距最大的是功耗、体积与重量。其原因是我国微电子技术与国外发达国家相比， 差距较大，不能为温度补偿晶体振荡器提供性能优良的专用集成芯片，这是造成 我国温度补偿晶体振荡器功耗、体积、重量较大的主要原因。其次我国表面安装 技术( s m t ) 与表面安装元器件的研制与生产技术还e b 较的落后，起步不久。 压控晶体振荡器1 4 i ( v c x o ) 卫星通讯、数字传输系统要求在较宽的线性调频范围内具有良好的频率稳定 度。由于压控晶体振荡器具有频率稳定度高、单边带噪声谱小、调频范围宽、线 性好、失真小，因此直接f m 调制采用v c x o 最为适宜。正因为如此，国内外对 v c x o 的研制与生产也是很重视的。 标准封装晶体振荡器( s p x o ) 通常用作微处理器的时钟器件。s p x o 可生产1 0 一5 至】0 - 4 量级的频率精度。 它们的标准频率通常是1 至1 0 0 m i - i z ，频率稳定度是1 0 0 p p m 。s p x o 没有采用 任何减少器件输出频率温度影响的手段。但是，低廉价格使它们成为在温度变化 不大或无需很精确和稳定的应用中的理想选择。 其他晶体振荡器 为了满足工程上的需要，还有一些不同的晶体振荡器。 抗震动晶体振荡器1 7j ：导弹、卫星等空间飞行器上用的晶体振荡器需经受强 烈的震动、冲击、离心加速等机械力的作用，为了适应这种特殊的环境，就必须 采用抗震动的晶体振荡器。抗震动的晶体振荡器的性能主要取决于晶体谐振器的 抗震动性能。一般抗震动的晶体振荡器采用b v a 谐振器较为适宜。 、 快速预热晶体振荡器：由于高稳定度晶体振荡器采用恒温方式，所以加电后 要经过一段预热时间才能达到稳定动作，且要求稳定度越高，预热时间就越长。 但有些工程应用不允许预热时间太长。于是快速预热晶体振荡器便引起了国内外 华中科技大学硕士学位论文 研制单位的重视。国外采用3 次泛音s c 切谐振器，在+ 2 5 c 环境温度下加电两分 钟相对频率稳定度可以达到1 1 0 一，加电5 分钟可以达到l 1 0 ，在一5 4 c 的环 境温度下加电5 分钟频率相对稳定度为1 1 0 。 还有其他的一些晶体振荡器如钟用晶体振荡器、声表面波振荡器等一些比较 特殊的振荡器，在现代工程中的应用越来越广泛。 1 3 课题研究的意义 本课题来源于国家经贸委十五重点技术创新项目“小尺寸恒温晶体振荡器 的研制”。课题的主要任务是对小尺寸恒温晶体振荡器进行研究开发，研制频率稳 定度比较高的小尺寸恒温晶体振荡器。 目前国内恒温晶体振荡器的研制与日美等发达国家差距较大，国内产品无论 在性能还是在体积上都完全不能适应目前通讯产业的发展。本课题的实施有着比 较大的经济意义和社会意义： a 可以填补国内表面安装片式晶体谐振器与晶体振荡器产业的空白，打破 日、美等发达国家对我国表面安装晶体元器件的生产和消费的垄断。 b 高精度小型化恒温晶体振荡器的开发，对于推动我国石英晶体元器件的制 造技术的革新和革命，推动产品结构的调整，缩小石英晶体元器件制造技术与国 外先进水平的差距具有十分重大的意义。 c 本项目的开发成功可为国内s m d 晶体元器件的产业化提供可靠的技术保 障，从而加速我国二十一世纪电子信息产业的发展进程。 华中科技大学硕士学位论文 2恒温晶体振荡器基本原理 。 2 1 恒温晶体振荡器概述 由于石英谐振器具有自己的频率一温度特性，因此当外界环境温度变化时， 谐振器的频率因此也将发生改变。a t 切的频率一温度特性为三次曲线，用a t 切 石英谐振器制作的石英晶体振荡器，其频率随温度变化的关系，在宽温度范围内 也为三次函数关系。 为了提高频率稳定度，有两种方法：其一是采用温度补偿，其二是使谐振器 保持恒温。而设计制造高稳晶体振荡器主要采用恒温的方法。这就需要设计出控 温精度很高的恒温槽来为谐振器提供非常稳定的温度环境。图( 2 1 ) 为恒温晶体振 荡器的基本结构框图： 2 2 石英晶体谐振器的主要特性 石英晶体谐振器，是晶体振荡器的核心组件，由石英晶体片、电极、支架及其它 辅助装置组成，它是利用石英晶体的压电效应原理制成的电、机械振荡系统。其 质量好坏直接影响到晶体振荡器的技术指标。 石英晶体主要具有以下性质【3 】： 华中科技大学硕士学位论文 正负压电性； 沿着石英结晶轴适当的方向切割片子就能做出零温度系数的谐振器； 零温度系数的切型中有一种s c 切具有应力补偿特性： 它具有较低的固有损耗( 即石英谐振器能具有高q 值) ； 它容易加工，因为它硬但又不易碎，并且在正常条件下，它在一切物质 中的溶解度都低，除了氟化物腐蚀剂； 它在自然界中储量丰富； 它易于大量生长，成本低，并且纯度相当高。 石英晶体是六棱柱而两端呈角锥形的结晶体( 9 1 ，其化学成分是s i 0 2 ，是5 7 3 以下的s i 0 2 的结晶形态，即为q s i 0 2 。图( 2 _ 2 ) 为石英晶体的坐标轴系：通常将 通过两顶端的轴线称为光轴( z 轴) ：与光轴相垂直又通过晶体横切面六边形的六 个角的三条轴线叫电轴( x 轴) ；与光轴垂直又和晶体横切面六边形的六个边垂直 的三条轴线叫机械轴( y 轴) 。z 轴、x 轴、y 轴统称为晶体的坐标轴系。 囝2 - 2 几种切型石英片的方位圈 华中科技大学硕士学位论文 石英晶体谐振器主要生产工艺【i l 】流程图为： 2 3 石英晶体晶体振荡器基本设计原理 振荡是指连续的发生振幅一定、频率一定的振荡现象，产生振荡的电路叫振 荡器。在通信、广播、电视系统中，都需要射频( 高频) 发射，这里的射频波就是载 波，把音频( 低频) 、视频信号或脉冲信号运载出去，这就需要能产生高频信号的振 荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火，超声 波焊接，超声诊断，核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振 荡器。可见，振荡电路在各个科学技术部门的应用是十分广泛的。 晶体振荡电路的基本功能就是将直流电能转变成具有一定频率、一定幅度和 频率高度稳定的交流电能，这种转换是在石英晶体的参与下进行的。 ( a )( b ) 图2 4振荡反馈电路 母 兰箸酏笺 华中科技大学硕士学位论文 在晶体振荡电路中一般采用反馈型电路【1 2 】。这种电路由放大网络和反馈网络 闭合而成，如图( 2 4 ) 所示。 xa = x t 七x f 坼为信号蜀经过基本放大电路和反馈网络所构成的环路传输后，得到的反馈 信号，如果并与蜀在大小和相位上都一致，那么，就可以使输入信号= o ，将 厮直接输入墨端，形成如图( 2 4 ) 所示的闭环系统，因此，从结构上看，正弦波 振荡电路就是个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。由于 x s = x a 便有 拿= 娑孕：1 或三 ：1 ( 2 - 1 ) x ，x ，xo 上式中设j ；爿么，j ：彪伊r ，则可得 卜l a f = a f q d 。+ 9 ， 即 p f | _ 4 ，= 1 ( 2 2 ) 吼+ ( a s 2 2 n r c n = 0 ，l ，2 ，( 2 3 ) 式( 2 - 2 ) 称为振幅平衡条件，而式( 2 3 ) 则称为相位平衡条件【1 5 l ，这是正 弦波振荡电路产生持续振荡的两个条件。值得注意的是，从负反馈放大电路的自 激条件( 一j 户：1 ) 或振荡电路的振荡条件( 御1 ；1 ) 可以看出，两者的振幅条 件均为1 ，但相位条件不一样。 石英晶体正弦波振荡电路的形式是多种多样的，但基本电路只有两类，即并 联型和串联型石英晶体正弦波振荡电路，前者石英晶体工作在接近于并联谐振状 态，而后者则工作在串联谐振状态。 在并联型晶体振荡器电路中，晶体置于反馈网络中，并与电路中其他电抗元件 构成并联谐振回路。晶体振荡在略高于串联谐振的频率上，此时晶体呈感性。按 晶体与晶体管三个电极的不同连接方式，并联型晶振可分为c - b ( 皮尔斯) 电路、 e b ( 密勒) 电路和c e 电路三种类型【1 3 】。其中c b 电路应用较多。按其接地点的不同， 又可分为射极接地( 皮尔斯) 电路，集电极4 接地( 柯尔匹兹) 电路和基极接地 ( 克拉普) 电路三种【1 3 】。如图( 2 5 ) 示。 华中科技大学硕士学位论文 圈2 - 5 皮尔斯电路 n _ l ：c r 种电路，都可以用图( 2 6 ) 所示的等效电路来表示【1 4 1 。 由图( 2 - 6 ) 得： “b 。= - g r u b 惫 ( 2 4 ) 图2 - 6 并联振荡器等效电路 电路的闭环增益为： g = - 等b = - g y 燕水7 ，么i + z 2 + z 3 当振荡器工作在稳态时有： 胛_ 1( 仃：o ，1 2 ，) 旧2 2 n ；, r 将式( 2 6 ) 代入式( 2 5 ) 得： g r z l z 3 + z l + z 2 + z 3 = 0 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 华中科技大学硕士学位论文 这就是复数振荡方程。将阻抗z i ，z ：，z 3 代入方程，可以对具体的电路进行分 析。已知石英谐振器可等效为电阻尺。和感抗z 。的串联，因而从谐振器的两个端 子往外看，外电路必然等效为一个负电阻与一个容抗的串联，于是可画出整个电 路的等效电路如图( 2 7 ) 示。图中，如是外电路等效的负电阻，q 是外电路的 等效电容。 -l 产生稳幅振荡的条件是 z f = 一z n 即有相位平衡条件 j xe = 一j x n 和振幅平衡条件 r 。= 一r 2 4 精密恒温箱基本原理 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 由恒温槽、感温元件、温度控制电路和其它辅助装置组成的恒温系统，称之 为精静匣温箱。在高精度振荡器中，用来对晶体和其它相关元件保持恒温。随着 对晶体振荡器稳定度要求的逐步提高，恒温槽的温度控制精度要求也越来越高， 可以说设计一个符合要求的恒温槽和选择一个性能良好、控温精度高的温度控制 电路对稳定频率有举足轻重的作用。 精密恒温箱的主要要求为： 1 )温度波动小，即由温度控制电路引起恒温槽温度变化小： 2 )恒温槽的控制温度随环境温度的变化小： 4 口 一蹬一 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 恒温槽的控制温度随环境温度的变化小； 3 )恒温槽的长期温度漂移小； 4 )恒温槽的保温性能好，必须选用导热系数小的材料做保温层； 5 ) 恒温槽的控制温度要和晶体的拐点温度匹配； 6 ) 恒温槽的控制电路信号不致于干扰振荡电路而影响晶振的频谱纯度 7 )能长期可靠的工作。 图2 - 8 直流放大式连续温度控制原理图 精密恒温箱的控温电路有模拟控温和数字控温两种，其中模拟控温分主要有 振荡式和直流放大式两种。振荡式控温电路无零点漂移，这正好符合低老化晶振 的要求。但因它的体积大、造价高、可靠性差和对晶体振荡信号有干扰等缺点， 现时已很少采用。直流放大式控温电路体积小，造价低、安装调试工艺简单和对 晶体振荡信号无干扰等优点而被大量采用。因此，绝大多数的晶振都使用直流放 大控温的恒温槽。 模拟恒温晶体振荡器( 0 c x 0 ) 一般由热敏电阻电桥、直流电压放大器和直 流功率放大器组成。加热电阻丝作为直流功率放大器的负载。 其基本工作原理：通电后当恒温槽内温度尚未达到控制温度时，热敏电阻电 桥有较大的失衡电压，恒温槽处于最大加热功率状态。随着恒温槽温度的增加， 电桥失衡电压逐渐减小。当恒温槽内温度接近控制温度时，失衡电压越来越小， 加热功率也逐渐减小。当恒温槽加热到所需控制温度时，电桥保持一定的平衡输 出电压，此电压经过直流电压和直流功率放大后控制流过加热丝的电流，使加热 丝的电流保持一定数值，它产生的热量等于在一定外界条件下恒温槽的耗损热量。 华中科技大学硕士学位论文 当恒温槽内部发生变化时，热敏电阻阻值发生变化，从而改变电桥相对平衡输出 电压，此电压放大后用以调整电流，改变加热功率，来补偿恒温槽内部温度的变 化。 直流放大连续控制电路的主要优点缺点是放大器直流漂移大而影响电路的稳 定。当恒温槽使用的电源电压较高时，可采用集成运算放大器来制作控温电路， 集成运算放大器的差动放大器具有较好的对称性，因而零点漂移小。挑选的两个 主要指标，是输入失调电压，一是输入失调电流，这两个指标的数值愈小，说 明放大器中差动对称性愈好。 恒温槽的制作完全是为了改善振荡器的频温特性，鉴于o c x o 的实际要求， 制作一个结构合理、做工精细、造价低廉且实用的恒温槽是设计高性能的o c x o 电路的一个非常重要的内容。按照控温方式的不同，恒温槽主要有以下几种类型： 表2 1 恒温槽类型 分类 低温恒温槽超低温恒温槽、半导体制冷恒温槽 控制温度换态式恒温槽 高温 加热控制恒温槽 点式热点偶、热敏电阻电桥 感温元件 面式p t c 元件、铂丝电桥、 加热元件铜电阻丝、薄膜电阻、功率管 下面就其中几种恒温槽的基本工作原理作些简单的叙述。 1 ) 换态式恒温槽i l 6 j 结晶材料从固态转为液态时需要吸收一定的热量，但本身温度并不改变，因 此在固态和液态混合的情况下，温度保持恒定，换态式恒温槽就是利用此种特性 制成。 对于换态式恒温箱，只需简单的温度控制电路，一个例子是利用乙醇的沸点 为7 8 c l ，与a t 切晶体拐点温度较为接近的特性制作的换态式恒温槽，使乙 醇处于汽一液两相平衡，并保持压力不变，以保证晶体谐振器大体上的恒温，再 用负温度系数电容做晶体谐振器的主要负载电容。 此种恒温槽的工作原理为：通电后，加热丝开始对介质乙醇加热，乙醇的温 度升高，当温度达到乙醇的沸点时，乙醇开始产生蒸汽，蒸汽通过冷凝管被液化， 华中科技大学硕士学位论文 1 回流到密闭容器中。这时系统处于两相平衡状态，温度和压力均保持不变，所以 整个系统的温度也就稳定在乙醇的沸点上，而乙醇的沸点为7 8 。c - 4 - l 。 2 ) 热源自控式恒温槽 热源自控式恒温槽是应用p t c 材料制作而成。 p t c ( p o s i t i v e t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 热敏陶k 瓷是一类具有正的温度系数的半导体功能陶瓷，它” 是由b a t i 0 3 或b a t i 0 3 和s i t i 0 3 或p b t i 0 3 的固溶 体制成。p t c 在转变温度t c ( 居里点) 之前，电阻l e 3 随温度的升高而下降；温度从转变温度到热失控温 度之间，电阻随温度的升高而显著增大，其电阻温l e 2 度特性如图( 2 - 9 ) 所示。这就是p t c 效应。利用 p t c 效应，根据不同的温度系数，可以制造不同用捌 途的p t c 热敏陶瓷。p t c 元件具有可靠性高、使用 方便、安全、省电等优点n 8 1 。 -2 i柚 图2 - 9p t c 阻滠特性 把p t c 热敏电阻与负载串连，恰当选择电阻阻 值及工作状态，可起到电流保护作用于发热的p t c 元件，在一定电压和标准环境 下，测量到的稳定温度叫p t c 表面温度( t s ) 。使用时，p t c 在以表面温度为中 心的一个极小温度范围内，功率一环境达到动态平衡，实现自动控制温度。 由于p t c 材料有以上特性，并根据：在p t c 元件两端加上电压，开始时因其 处于低阻状态而很快发热，当温度升到居里温度时，由于电阻变大使电流减小， 升温减慢；当输入的电功率与元件向环境的散热功率相等时，温度稳定下来，即 能实现加热和自动控温的双重作用。 设热平衡时槽体的温度为t 。，则当环境温度变化时，p t c 材料的温度和电阻 也作相应的变化，从而使流过p t c 材料自身的加热电流发生变化，以维持槽温度 的稳定。在此过程中p t c 材料既是传感器，又是加热元件，故这种恒温槽称作热 源自控式恒温槽。 现简单的阐述这种恒温槽的基本性能如下“：设环境温度为t 。时，将直流 电源e 加到p t c 材料的两端，则槽体温度逐渐升高。在达到热平衡之前，任一时 刻由电源提供的功率一部分使槽温升高，一部分耗散于周围环境中。于是有 1 7 华中科技大学硕士学位论文 c 冬：毒，：心一互二量 ( 2 1 1 ) d tj “ r 式中c 槽体的热容量 卜一槽体的热阻 t i 一槽体的温度 i 流过p t c 材料的加热电流 j 热功当量 达到热平衡后，令d t 。d r = 0 ，上式变为 与j 。：r 。：王矗( 2 1 2 ) 式中的t 。i o 、。是这些量在环境温度为t 。且槽温达到热平衡时的值。 现令环境温度有一个单位的阶跃变化7 1 ，则相应的有： 瓦= l o + ，t = 乙+ 正，i = i o + 出，r t c = r 。+ 心 然后经过一系列数学变换可以得出槽温增量与时间变化规律： 吲归志 1 - e x p ( 一半) f ( 2 州) 其中 k - - - r e 2 ( j r t c o ) ，r , o - - - r c 并认为p t c 与槽体温度一样，从上式可知，尽管p t c 材料的热惯性相当大， 但由于整个控温电路对于因温度变化而产