低老化率小型高穩恒溫晶振的制作方法

專利名稱：低老化率小型高穩恒溫晶振的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于電子技術領域，涉及一種低老化率小型高穩恒溫晶振。
背景技術：
晶體也叫石英晶體諧振器、石英諧振器，晶體諧振器，三種名稱都可以，我們簡稱 為晶體。晶體管(或稱晶體三極管)。
當晶體管用在振蕩電路時，稱為振蕩管。 當晶體管用在放大電路時，稱為放大管。 當晶體管用在功率放大電路時，稱為功率放大管。
晶振的類型繁多，指標各不相同，老化率進入10—"/日的晶振為當今世界上最好的
晶振，但這種晶振的不足是予熱時間長、功耗大，結構復雜，造價貴。而最大的缺點 是體積過大，對通訊、各類電子設備，特別是衛星通信、空中導航設備等應用造成了極 大的困難。所以提出10—11/日晶振的小型化。當今世界小型化的晶振很多，但是體積為
15cr^的10'"/日的晶振就沒有，10"V日的晶振也有，雖然不多，但10'"/日體積為15cm3
的小型化的晶振卻沒有。
晶振體積大小必須在頻率穩定度相同的條件下才能比較，而最難減少體積的是老 化率進入1(T"/日的晶振。因為制造10—11/日的晶振必須用大體積玻璃殼石英晶體諧振 器(以下簡稱晶體)和大體積的單層或雙層恒溫槽結構，而小型封裝金屬殼晶體，其
老化率無法達到icr力日的指標。因此icr"/日高穩晶振小型化是當今高穩晶振技術上的瓶頸。

實用新型內容
本實用新型的所要解決的技術問題是提供一種低老化率小型高穩恒溫晶振，其體積
小于等于15cm、老化率為1(T"/日；短期穩定度為5X10—力S;工作頻率為40MHz。
為解決上述技術問題，本實用新型所采用的技術方案為
一種低老化率小型高穩恒溫晶振，其特征在于，包括晶體振蕩電路，所述晶體振蕩
3電路由主振級電路、匹配網絡、幅度放大器、輸出電路和隔離網絡五部分依次串接組成; 所述的主振級電路中的振蕩管為場效應管。
作為改進，該低老化率小型高穩恒溫晶振還包括控溫電路，所述控溫電路由直流電 橋、運算放大器和直流功率放大器依次串接組成；所述的直流電橋內包含有熱敏電阻， 在所述直流功率放大器上設置有導熱片，所述的熱敏電阻設置在導熱片上；所述溫控電 路根據熱敏電阻輸出信號來控制所述的直流功率放大器。
所述的匹配網絡為使得主振級與幅度放大器之間達到阻抗最佳匹配的高通濾波器。
所述的幅度放大器采用場效應管作為放大器。
所述的輸出電路中設有阻容諧振電路。
本實用新型所具有的有益效果有-
采用了場效應管代替原有的晶體管作為振蕩管，場效應管的溫度特性好，并且輸 入電阻特別大，它比晶體三極管的輸入電阻大約十萬倍。采用這種器件作振蕩管克服了 晶體有載Q值下降問題，對改善老化率獲得了明顯的效果。本實用新型中的晶體激勵電 流比常規低5 10倍。而短穩并不差，秒級達到了 5X10-12/S量級。這是由于場效應 管熱穩定性好，恒溫晶振的有載Q值高，對晶體激勵電流的補償之結果。另外，引入了 控溫電路，使得晶體管工作在恒溫環境中，也使得整個晶振穩定性增強，老化率顯著降 低。具體實驗參數見實施例。

圖1為晶體振蕩器電路原理圖； 圖2為晶體振蕩器電路框圖； 圖3為控溫電路原理圖； 圖4為控溫電路框圖。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型作進一步說明。 實施例l:
低老化率小型高穩恒溫晶振由晶體振蕩電路和控溫電路二部分組成。晶體振蕩電路 由主振級，匹配網絡，幅度放大器，輸出電路和隔離網絡五部分組成，如圖2所示，電 原理圖如圖1所示。控溫電路由直流電橋、運算放大器和直流功率放大器三部分組成，
如圖4所示，電原理圖如圖3所示。一、晶體振蕩電路的構成以及原理
1.主振級的功能及工作原理(對應圖1和圖2)
主振級(即振蕩電路)的功能是產生一個頻率穩定、老化率低、波形良好的正弦波
信號。主振級是一種改進型電容三點式40MHz晶體振蕩電路，如圖1中的第一級電路, 它由振蕩管T1、電容C1、 C2、電感L2和晶體JT等組成，晶體呈電感性，C2、 L2回 路諧振在32MHz，頻率高于32MHz時，C2、 L2呈容性，使主振電路滿足電容三點式 振蕩電路，輸出40MHz信號，對低于32MHz的基頻，C2、 L2呈感性，主振級不滿足 電容三點式條件，主振級不工作，這樣就抑制了基頻振蕩。 1.1振蕩電路
現有的低老化率高穩晶振的振蕩電路采用晶體三極管作振蕩管，它的優點是放大倍 數高，易起振、調試方便。它的缺點是溫度特性差，晶體三極管的b-e電阻小，晶體三 極管振蕩電路的輸入電阻小，使晶體的有載Q值下降。導致恒溫晶振老化性能變差。本 項目的產品采用另一種器件場效應管作振蕩管，場效應管的溫度特性好，并且輸入電阻 特別大，它比晶體三極管的輸入電阻大約十萬倍。采用這種器件作振蕩管克服了晶體有 載Q值下降問題，對改善老化率獲得了明顯的效果。
1.2 振蕩電路電性能參數的更新設計
晶體的激勵電流是晶體振蕩電路中影響老化率的重要電性能參數，這個參數是否設 計最佳狀態，是高穩恒溫晶振能否達到低老化率的關鍵之一。而傳統的設計是綜合設計 法。因為，晶體自身噪聲對頻率穩定度和晶體電流效應對頻率穩定度二個關系式是相互 矛盾的。
A、晶體的熱噪聲對頻率穩定度的影響可表現為
式中K一波爾茲曼常數T—采樣時間f一振蕩頻率T—絕對溫度Q—晶體 質因素 P—晶體激勵功率 l一晶體激勵功率 Re—晶體等效串聯電阻 從(1)式可見晶體激勵電流愈大，頻率穩定度愈好。 B、晶體電流效應
晶體的激勵電流對頻率穩定度的影響可表示為^ = D/2則電流的變化引起的(與)'^/一 (2)
式中D—電流常數；l一晶體激勵電流；A/—晶體激勵電流引起的頻率漂移; /一振蕩頻率。
從(1)式中可見晶體激勵電流愈大，頻率穩定度愈好。應選晶體激勵電流大。 從(2)式中可見晶體激勵電流愈小，頻率穩定度愈好，應選晶體激勵電流小。
傳統的設計方法為(1)式、(2)式綜合考慮， 一般選用150uA 400uA。而本項 目產品晶體激勵電流比常規低5 10倍；而短穩并不差，秒級達到了5X1(T力S量級。 這是由于場效應管熱穩定性好，晶體的有載Q值高，對晶體激勵電流的補償之結果。
由以上兩項更新設計，其老化率獲得了新突破，從原來10—9/日量級的高穩恒溫晶 振。現在進入icr力日，至目前為止，國內外還沒其它單位或企業研制出這種晶振。
2. 匹配網絡
圖1C9、 C10、 L3構成一般高通濾波器，達到主振級與幅度放大器之間阻抗最佳匹配。
3. 幅度放大器
圖1第二級T2、 L4、 C14、 C15、 R6、 C17、 R7元件構成了幅度放大器，它主要 特點采用場效應管技術，使得放大器輸入阻抗極大，比晶體三極管輸入電阻大十萬倍以 上。達到既隔離又放大信號作用。
4. 輸出電路
圖1第三級T3、 R8、 R9、 L6、 C化、C19、 C20、 R10組成輸出電路，為一般晶 體管功率放大器，L6、 C19、 C20諧振于振蕩頻率上，以增大輸出功率。在T2與T3 之間加入L5、 C16串聯諧振電路，達到抑制諧波，改善正弦波目的。
5. 隔離網絡
圖1中C21、 C22、 L7構成隔離網絡，達到振蕩信號輸出與負載的隔離作用，改 善負載特性。
二、控溫電路的功能及工作原理(對應圖3和圖4):
控溫電路的功能是控制精度高的恒溫系統，恒溫晶體振蕩器的控溫電路電原理圖如
6圖3所示，由直流電橋、運算放大器、和直流功率放大器組成，其控溫電路原理圖框圖 如圖4所示，恒溫控制系統中，晶體、導熱片(散熱片上設置有晶體和熱敏電阻)、功 率管(功率管是功率放大器中的一個重要元件。功率管是放大信號用，并且要和其它元 件配合使用，才能組成一個功率放大器。)、熱敏電阻四位一體。
開始加電時，導熱片(即功率管的散熱片)處于冷狀態，嵌于導熱片下的熱敏電阻 的阻值最大，電橋的失衡為最大，其最大的直流電壓輸出經LM321放大后，輸入到功 率管T4。此時功率管的電流為最大，功率管自身發熱也最大，以最大的加熱功率加熱 導熱片，控溫系統開始升溫狀態，隨著導熱片溫度的升高，熱敏電阻的阻值開始下降。 當電橋失衡輸出最小時，使加熱功率管的加熱功率降到維持導熱片平衡所需要的平衡功 率。此平衡功率正好與導熱片的漏熱功率相抵消。控溫系統即進入恒溫控制狀態。
T5管是T4的限流管，即限制T4工作電流過大，起保護T4的功能，以防T4燒壞。
其工作原理很簡單。當T4工作電流為正常值時，T5的基極電壓高，T5處于截止 狀態，當T4電流增大時，R9、 R10、 R11上的降壓增大，使T5管基極電壓開始下降。 當T4管電流再增大，超過額定值時，T5管基極電壓降到T5管完全導通，T4的柵極電 壓升高，T4管的開始電流減小，限制了T4管的工作電流。保護了T4管。
1. 直流電橋
圖3中R1、 R2、 R3、 R4、 RT構成直流電橋，當電橋失衡時，便有失衡輸出。其 輸出的大小隨著電橋的失衡變化。
2. 運算放大器
圖3中，LM321運放，R7、 C2、 C1組一般的直流運算放大器，R7為反饋電阻， 其作用是穩定運放的增益，使運放工作穩定。
3. 直流功率放大器
圖3中T4、功率放大管、放大運放輸出的直流電平，其功率管自身的功耗發熱來 加熱導熱片、晶體諧振器、熱敏電阻和振蕩電路。
4. 寬溫一頻溫特性
溫度范圍為-25。C一+70。C寬溫范圍內達到士2X1Cr9，表1為晶振的實測數據，這 一結果為國內目前領先水平。
表1:產品寬溫一頻溫特性表編號頻率(MHz)頻率一溫度特性-25°C +7CTC體積CM3
08030014015
0803002409.ixicr1015
0803003401.3X1CT915
0803004401.8X10-915
0803005408.3X1CT1015
三、本實施例對應產品的優點
本實施例對應的晶振，其老化率進入10—11/日；體積僅為15CM3，至目前為止， 國內還沒有其他單位或企業研制出這種晶振。與國外同類產品比較見表2.
表2:本實施例對應產品SM-10型與國外同類產品N47A型比較表
項目N74A型Bliley公司SM-10型SM-10型
(美)(0803001)(0803002)
頻率20MHz40MHz40MHz
晶體金屬殼T0-8金屬殼T0-8金屬殼TO-8
封裝SCTPSCTPSCTP
老化1.0Xl。-9/曰-6.7X10-"/B-3.3X10-"/日
率
體積18.1 CM315,0 CM315.0 CM3
短穩5X1Q-"/S5.5X1(T12/S6.2X1012/S
社會效益
15 0/13的小型恒溫晶振老化率進入1CT"/日量級研制成功，標志著中國小型化低老
化高穩恒溫晶振已達到世界先進水平。 經濟效益
小型低老化率恒溫晶振可廣泛應用于國防工業、通信，全球定位系統、雷達、導航、 基站、軍用電臺、計量中心、頻譜及網絡分析儀等精密電子設備中作頻率標準源。本實 施例對應產品的平均水平與國外相當，最好的結果高于國外水平，完全可以替代國外進 口產品，并可出口創匯。
權利要求1、一種低老化率小型高穩恒溫晶振，其特征在于，包括晶體振蕩電路，所述晶體振蕩電路由主振級電路、匹配網絡、幅度放大器、輸出電路和隔離網絡五部分依次串接組成；所述的主振級電路中的振蕩管為場效應管。
2、 根據權利要求1所述的低老化率小型高穩恒溫晶振，其特征在于，還包括 控溫電路，所述控溫電路由直流電橋、運算放大器和直流功率放大器依次串接組成；所 述的直流電橋內包含有熱敏電阻，在所述直流功率放大器上設置有導熱片，所述的熱敏 電阻設置在導熱片上；所述溫控電路根據熱敏電阻輸出信號來控制所述的直流功率放大 器。
3、 根據權利要求1所述的低老化率小型高穩恒溫晶振，其特征在于，所述的 匹配網絡為使得主振級與幅度放大器之間達到阻抗最佳匹配的高通濾波器。
4、 根據權利要求1所述的低老化率小型高穩恒溫晶振，其特征在于，所述的 幅度放大器采用場效應管作為放大器。
5、 根據權利要求1~4任一項所述的低老化率小型高穩恒溫晶振，其特征在于， 所述的輸出電路中設有并聯諧振回路。
專利摘要本實用新型公開了一種低老化率小型高穩恒溫晶振，其特征在于，包括晶體振蕩電路，所述晶體振蕩電路由主振級電路、匹配網絡、幅度放大器、輸出電路和隔離網絡五部分依次串接組成；所述的主振級電路中的振蕩管為場效應管；還包括控溫電路；本低老化率小型高穩恒溫晶振的體積小于等于15cm³；老化率為10^-11/日；短期穩定度為5×10^-12/S；工作頻率為40MHz。
文檔編號H03B5/36GK201282448SQ20082015843
公開日2009年7月29日 申請日期2008年9月10日 優先權日2008年9月10日
發明者單漲國 申請人:長沙太陽人電子有限公司