試析新型二次補(bǔ)償恒溫—溫補(bǔ)晶振的設(shè)計(jì)

張萱

摘 要：隨著時(shí)代的進(jìn)步與科技的快速發(fā)展，當(dāng)前通信技術(shù)對(duì)晶振在環(huán)境溫度發(fā)生變化條件下的穩(wěn)定性要求越來(lái)越高。其中在10MHZ頻率使用情況最為普遍，這是圍繞表面貼裝器件封裝的壓控溫補(bǔ)晶振來(lái)具體操作的，具體就是采用恒溫控制加二次補(bǔ)償方案的溫補(bǔ)晶振。本文將會(huì)著重闡述使用該方法的設(shè)計(jì)以及測(cè)試，希望能夠得到一些借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：二次補(bǔ)償；晶振；穩(wěn)定性；恒溫控制

大家都知道的是，當(dāng)前能夠影響石英晶振穩(wěn)定性的主要因素有溫度、電壓以及晶體老化等等。其中以溫度的影響程度最大。就目前而言最為常見(jiàn)的晶振包括模擬補(bǔ)償晶振、數(shù)字補(bǔ)償晶振和微機(jī)補(bǔ)償晶振三種。數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)的模擬補(bǔ)償晶振頻率溫度穩(wěn)定度可達(dá)1*10-6，而且相位噪聲優(yōu)良，但是因?yàn)闊崦艟W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)限制通常占據(jù)很大體積。數(shù)字補(bǔ)償晶振頻率溫度穩(wěn)定度可達(dá)2*10-7，其相位噪聲不佳，但是體積小。一般而言，傳統(tǒng)的恒溫晶振由于功率消耗較大，采用的是5V供電，最大電流甚至超過(guò)300毫安。下面主要是為大家介紹10MHZ，體積為雙列直插式的壓控溫補(bǔ)晶振為核心，采用恒溫控制加二次補(bǔ)償?shù)姆桨福?.3V供電）。

一、整體結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，二次補(bǔ)償恒溫-溫補(bǔ)晶振主要由四個(gè)部分共同組成：溫補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)（簡(jiǎn)易），壓控溫補(bǔ)晶振，方波輸出和恒溫網(wǎng)絡(luò)。具體地說(shuō)，首先使用恒溫網(wǎng)絡(luò)恒溫控制壓控溫補(bǔ)晶振，盡可能縮小壓控溫補(bǔ)競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)際工作區(qū)域，最大限度的優(yōu)化頻率溫度穩(wěn)定性。然后使用溫補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合壓控端電壓頻率的控制關(guān)系，根據(jù)實(shí)際情況輸出合適的壓控電壓，從而對(duì)恒溫后的壓控溫補(bǔ)晶振加以二次補(bǔ)償，最終讓頻率溫度穩(wěn)定度達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

二、關(guān)鍵技術(shù)的使用

（一）合理選擇SMD壓控溫補(bǔ)晶振

前面已經(jīng)提到，此方案采用的是簡(jiǎn)易型溫補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行二次補(bǔ)償方式，其網(wǎng)絡(luò)輸出的電壓為單調(diào)趨勢(shì)的線性電壓，為了滿足使用的需要，就必須要求恒溫后的壓控溫補(bǔ)晶振溫度頻率曲線必須也是單調(diào)線性，不允許有拐點(diǎn)的存在。除此之外，由于數(shù)字補(bǔ)償?shù)臏囟惹€非連續(xù)線性曲線，一定要使用模擬補(bǔ)償?shù)膲嚎販匮a(bǔ)晶振，而且受到尺寸上的嚴(yán)格限制，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的測(cè)試，最好的選擇就是SMD32*25壓控溫補(bǔ)晶振。

（二）選擇網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償

結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)恒溫加熱的壓控溫補(bǔ)晶振，在-20攝氏度至70攝氏度范圍內(nèi)工作的條件下，其溫度頻率特性得到很大程度的改善，在正常情況下能夠很好的滿足二次補(bǔ)償，該設(shè)計(jì)選用的是簡(jiǎn)易溫補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)，具體設(shè)計(jì)如下圖（圖1）所示。

從上圖我們可以清楚地看到，由電源供電，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓模塊輸出一個(gè)較為穩(wěn)定的工作電壓，然后經(jīng)電阻R1，R2進(jìn)行分壓。再根據(jù)所選用壓控溫補(bǔ)晶振的壓控頻率斜率關(guān)系，實(shí)際測(cè)量的溫度頻率特性曲線的變化趨勢(shì)一目了然（恒溫后），此時(shí)選擇適當(dāng)?shù)腂值熱敏電阻，同時(shí)調(diào)整固定值電阻R3、R4、R5、R6輸出一組趨勢(shì)單調(diào)的反向線性電壓，最終得到準(zhǔn)確無(wú)誤的二次補(bǔ)償。另外，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的恒溫-溫補(bǔ)晶振在-20攝氏度至70攝氏度范圍內(nèi)穩(wěn)定度明顯優(yōu)于5*10-8。

（三）合理選擇恒溫控溫電路

進(jìn)過(guò)反復(fù)的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在-20攝氏度至70攝氏度范圍內(nèi)壓控溫補(bǔ)晶振溫度頻率特性曲線具有很強(qiáng)的連續(xù)性并且存在多個(gè)拐點(diǎn)，尤其是在超過(guò)60攝氏度以后會(huì)呈現(xiàn)單調(diào)上升趨勢(shì)，這就能夠符合該設(shè)計(jì)二次補(bǔ)償?shù)臈l件，此時(shí)應(yīng)當(dāng)采用恒溫加熱的方式最大限度的縮小實(shí)際工作的溫度區(qū)間。等到通電后，熱敏電橋會(huì)在瞬間產(chǎn)生較大的失衡輸出電壓，功率管立即處于加熱功率的最大值。而且電橋失衡電壓會(huì)伴隨著晶振內(nèi)部溫度不斷上升而逐漸減小，待加熱到所需控制溫度時(shí)，電橋的平衡輸出電壓會(huì)維持在一個(gè)固定值上，控溫電路通過(guò)平衡加熱，此時(shí)產(chǎn)生的熱量與損耗的熱量保持一致。如果外界溫度發(fā)生了變化，熱敏電阻阻值必然隨之發(fā)生變化，電橋相對(duì)平衡輸出電壓也一定會(huì)發(fā)生改變，此時(shí)相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)通過(guò)調(diào)整電流和電壓來(lái)修正晶振內(nèi)部的溫度變化。

（四）調(diào)試補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

觀察發(fā)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)所選用的SMD壓控溫補(bǔ)壓控晶振的斜率為正值，此時(shí)壓控頻率拉動(dòng)關(guān)系為+0.05V或者+0.38HZ，經(jīng)過(guò)恒溫控制后的溫度頻率特性曲線為單調(diào)上升（線性），在這種情況下業(yè)界人士應(yīng)當(dāng)?shù)谝粫r(shí)間將熱敏電阻RT1棄用，轉(zhuǎn)而選擇RT2的統(tǒng)一規(guī)格，從而設(shè)定R3、R4、R6的估值電阻準(zhǔn)確的計(jì)算出R5阻值（反向電壓曲線后）。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的二次補(bǔ)償恒溫-溫補(bǔ)晶振的設(shè)計(jì)必須要有所改變。我們從測(cè)試結(jié)果可以清楚的看到，采用恒溫控制加二次補(bǔ)償?shù)姆椒軌驅(qū)囟阮l率穩(wěn)定度有效控制在5*10-8范圍內(nèi)。但是需要特別提醒的是，該方案沒(méi)有采用單片機(jī)，這將會(huì)在很大程度上降低成本投入，而且又兼具體積小和功耗低的明顯優(yōu)勢(shì)（相比恒溫晶振而言）。另外，相關(guān)工作人員在選擇壓控溫補(bǔ)晶振的過(guò)程中，為了最大限度的滿足恒溫控制以及二次補(bǔ)償?shù)臈l件，必須使其壓控頻率特性以及溫度頻率特性保持高度的一致。這樣就可以很好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)溫補(bǔ)晶振的不足，更好的滿足市場(chǎng)需要。

參考文獻(xiàn)：

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