低老化率小型高稳恒温晶振的制作方法

专利名称：低老化率小型高稳恒温晶振的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电子技术领域，涉及一种低老化率小型高稳恒温晶振。
背景技术：
晶体也叫石英晶体谐振器、石英谐振器，晶体谐振器，三种名称都可以，我们简称 为晶体。晶体管(或称晶体三极管)。
当晶体管用在振荡电路时，称为振荡管。 当晶体管用在放大电路时，称为放大管。 当晶体管用在功率放大电路时，称为功率放大管。
晶振的类型繁多，指标各不相同，老化率进入10—"/日的晶振为当今世界上最好的
晶振，但这种晶振的不足是予热时间长、功耗大，结构复杂，造价贵。而最大的缺点 是体积过大，对通讯、各类电子设备，特别是卫星通信、空中导航设备等应用造成了极 大的困难。所以提出10—11/日晶振的小型化。当今世界小型化的晶振很多，但是体积为
15cr^的10'"/日的晶振就没有，10"V日的晶振也有，虽然不多，但10'"/日体积为15cm3
的小型化的晶振却没有。
晶振体积大小必须在频率稳定度相同的条件下才能比较，而最难减少体积的是老 化率进入1(T"/日的晶振。因为制造10—11/日的晶振必须用大体积玻璃壳石英晶体谐振 器(以下简称晶体)和大体积的单层或双层恒温槽结构，而小型封装金属壳晶体，其
老化率无法达到icr力日的指标。因此icr"/日高稳晶振小型化是当今高稳晶振技术上的瓶颈。

实用新型内容
本实用新型的所要解决的技术问题是提供一种低老化率小型高稳恒温晶振，其体积
小于等于15cm、老化率为1(T"/日；短期稳定度为5X10—力S;工作频率为40MHz。
为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案为
一种低老化率小型高稳恒温晶振，其特征在于，包括晶体振荡电路，所述晶体振荡
3电路由主振级电路、匹配网络、幅度放大器、输出电路和隔离网络五部分依次串接组成; 所述的主振级电路中的振荡管为场效应管。
作为改进，该低老化率小型高稳恒温晶振还包括控温电路，所述控温电路由直流电 桥、运算放大器和直流功率放大器依次串接组成；所述的直流电桥内包含有热敏电阻， 在所述直流功率放大器上设置有导热片，所述的热敏电阻设置在导热片上；所述温控电 路根据热敏电阻输出信号来控制所述的直流功率放大器。
所述的匹配网络为使得主振级与幅度放大器之间达到阻抗最佳匹配的高通滤波器。
所述的幅度放大器采用场效应管作为放大器。
所述的输出电路中设有阻容谐振电路。
本实用新型所具有的有益效果有-
采用了场效应管代替原有的晶体管作为振荡管，场效应管的温度特性好，并且输 入电阻特别大，它比晶体三极管的输入电阻大约十万倍。采用这种器件作振荡管克服了 晶体有载Q值下降问题，对改善老化率获得了明显的效果。本实用新型中的晶体激励电 流比常规低5 10倍。而短稳并不差，秒级达到了 5X10-12/S量级。这是由于场效应 管热稳定性好，恒温晶振的有载Q值高，对晶体激励电流的补偿之结果。另外，引入了 控温电路，使得晶体管工作在恒温环境中，也使得整个晶振稳定性增强，老化率显著降 低。具体实验参数见实施例。

图1为晶体振荡器电路原理图； 图2为晶体振荡器电路框图； 图3为控温电路原理图； 图4为控温电路框图。
具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步说明。 实施例l:
低老化率小型高稳恒温晶振由晶体振荡电路和控温电路二部分组成。晶体振荡电路 由主振级，匹配网络，幅度放大器，输出电路和隔离网络五部分组成，如图2所示，电 原理图如图1所示。控温电路由直流电桥、运算放大器和直流功率放大器三部分组成，
如图4所示，电原理图如图3所示。一、晶体振荡电路的构成以及原理
1.主振级的功能及工作原理(对应图1和图2)
主振级(即振荡电路)的功能是产生一个频率稳定、老化率低、波形良好的正弦波
信号。主振级是一种改进型电容三点式40MHz晶体振荡电路，如图1中的第一级电路, 它由振荡管T1、电容C1、 C2、电感L2和晶体JT等组成，晶体呈电感性，C2、 L2回 路谐振在32MHz，频率高于32MHz时，C2、 L2呈容性，使主振电路满足电容三点式 振荡电路，输出40MHz信号，对低于32MHz的基频，C2、 L2呈感性，主振级不满足 电容三点式条件，主振级不工作，这样就抑制了基频振荡。 1.1振荡电路
现有的低老化率高稳晶振的振荡电路采用晶体三极管作振荡管，它的优点是放大倍 数高，易起振、调试方便。它的缺点是温度特性差，晶体三极管的b-e电阻小，晶体三 极管振荡电路的输入电阻小，使晶体的有载Q值下降。导致恒温晶振老化性能变差。本 项目的产品采用另一种器件场效应管作振荡管，场效应管的温度特性好，并且输入电阻 特别大，它比晶体三极管的输入电阻大约十万倍。采用这种器件作振荡管克服了晶体有 载Q值下降问题，对改善老化率获得了明显的效果。
1.2 振荡电路电性能参数的更新设计
晶体的激励电流是晶体振荡电路中影响老化率的重要电性能参数，这个参数是否设 计最佳状态，是高稳恒温晶振能否达到低老化率的关键之一。而传统的设计是综合设计 法。因为，晶体自身噪声对频率稳定度和晶体电流效应对频率稳定度二个关系式是相互 矛盾的。
A、晶体的热噪声对频率稳定度的影响可表现为
式中K一波尔兹曼常数T—采样时间f一振荡频率T—绝对温度Q—晶体 质因素 P—晶体激励功率 l一晶体激励功率 Re—晶体等效串联电阻 从(1)式可见晶体激励电流愈大，频率稳定度愈好。 B、晶体电流效应
晶体的激励电流对频率稳定度的影响可表示为^ = D/2则电流的变化引起的(与)'^/一 (2)
式中D—电流常数；l一晶体激励电流；A/—晶体激励电流引起的频率漂移; /一振荡频率。
从(1)式中可见晶体激励电流愈大，频率稳定度愈好。应选晶体激励电流大。 从(2)式中可见晶体激励电流愈小，频率稳定度愈好，应选晶体激励电流小。
传统的设计方法为(1)式、(2)式综合考虑， 一般选用150uA 400uA。而本项 目产品晶体激励电流比常规低5 10倍；而短稳并不差，秒级达到了5X1(T力S量级。 这是由于场效应管热稳定性好，晶体的有载Q值高，对晶体激励电流的补偿之结果。
由以上两项更新设计，其老化率获得了新突破，从原来10—9/日量级的高稳恒温晶 振。现在进入icr力日，至目前为止，国内外还没其它单位或企业研制出这种晶振。
2. 匹配网络
图1C9、 C10、 L3构成一般高通滤波器，达到主振级与幅度放大器之间阻抗最佳匹配。
3. 幅度放大器
图1第二级T2、 L4、 C14、 C15、 R6、 C17、 R7元件构成了幅度放大器，它主要 特点采用场效应管技术，使得放大器输入阻抗极大，比晶体三极管输入电阻大十万倍以 上。达到既隔离又放大信号作用。
4. 输出电路
图1第三级T3、 R8、 R9、 L6、 C化、C19、 C20、 R10组成输出电路，为一般晶 体管功率放大器，L6、 C19、 C20谐振于振荡频率上，以增大输出功率。在T2与T3 之间加入L5、 C16串联谐振电路，达到抑制谐波，改善正弦波目的。
5. 隔离网络
图1中C21、 C22、 L7构成隔离网络，达到振荡信号输出与负载的隔离作用，改 善负载特性。
二、控温电路的功能及工作原理(对应图3和图4):
控温电路的功能是控制精度高的恒温系统，恒温晶体振荡器的控温电路电原理图如
6图3所示，由直流电桥、运算放大器、和直流功率放大器组成，其控温电路原理图框图 如图4所示，恒温控制系统中，晶体、导热片(散热片上设置有晶体和热敏电阻)、功 率管(功率管是功率放大器中的一个重要元件。功率管是放大信号用，并且要和其它元 件配合使用，才能组成一个功率放大器。)、热敏电阻四位一体。
开始加电时，导热片(即功率管的散热片)处于冷状态，嵌于导热片下的热敏电阻 的阻值最大，电桥的失衡为最大，其最大的直流电压输出经LM321放大后，输入到功 率管T4。此时功率管的电流为最大，功率管自身发热也最大，以最大的加热功率加热 导热片，控温系统开始升温状态，随着导热片温度的升高，热敏电阻的阻值开始下降。 当电桥失衡输出最小时，使加热功率管的加热功率降到维持导热片平衡所需要的平衡功 率。此平衡功率正好与导热片的漏热功率相抵消。控温系统即进入恒温控制状态。
T5管是T4的限流管，即限制T4工作电流过大，起保护T4的功能，以防T4烧坏。
其工作原理很简单。当T4工作电流为正常值时，T5的基极电压高，T5处于截止 状态，当T4电流增大时，R9、 R10、 R11上的降压增大，使T5管基极电压开始下降。 当T4管电流再增大，超过额定值时，T5管基极电压降到T5管完全导通，T4的栅极电 压升高，T4管的开始电流减小，限制了T4管的工作电流。保护了T4管。
1. 直流电桥
图3中R1、 R2、 R3、 R4、 RT构成直流电桥，当电桥失衡时，便有失衡输出。其 输出的大小随着电桥的失衡变化。
2. 运算放大器
图3中，LM321运放，R7、 C2、 C1组一般的直流运算放大器，R7为反馈电阻， 其作用是稳定运放的增益，使运放工作稳定。
3. 直流功率放大器
图3中T4、功率放大管、放大运放输出的直流电平，其功率管自身的功耗发热来 加热导热片、晶体谐振器、热敏电阻和振荡电路。
4. 宽温一频温特性
温度范围为-25。C一+70。C宽温范围内达到士2X1Cr9，表1为晶振的实测数据，这 一结果为国内目前领先水平。
表1:产品宽温一频温特性表编号频率(MHz)频率一温度特性-25°C +7CTC体积CM3
08030014015
0803002409.ixicr1015
0803003401.3X1CT915
0803004401.8X10-915
0803005408.3X1CT1015
三、本实施例对应产品的优点
本实施例对应的晶振，其老化率进入10—11/日；体积仅为15CM3，至目前为止， 国内还没有其他单位或企业研制出这种晶振。与国外同类产品比较见表2.
表2:本实施例对应产品SM-10型与国外同类产品N47A型比较表
项目N74A型Bliley公司SM-10型SM-10型
(美)(0803001)(0803002)
频率20MHz40MHz40MHz
晶体金属壳T0-8金属壳T0-8金属壳TO-8
封装SCTPSCTPSCTP
老化1.0Xl。-9/曰-6.7X10-"/B-3.3X10-"/日
率
体积18.1 CM315,0 CM315.0 CM3
短稳5X1Q-"/S5.5X1(T12/S6.2X1012/S
社会效益
15 0/13的小型恒温晶振老化率进入1CT"/日量级研制成功，标志着中国小型化低老
化高稳恒温晶振已达到世界先进水平。 经济效益
小型低老化率恒温晶振可广泛应用于国防工业、通信，全球定位系统、雷达、导航、 基站、军用电台、计量中心、频谱及网络分析仪等精密电子设备中作频率标准源。本实 施例对应产品的平均水平与国外相当，最好的结果高于国外水平，完全可以替代国外进 口产品，并可出口创汇。
权利要求1、一种低老化率小型高稳恒温晶振，其特征在于，包括晶体振荡电路，所述晶体振荡电路由主振级电路、匹配网络、幅度放大器、输出电路和隔离网络五部分依次串接组成；所述的主振级电路中的振荡管为场效应管。
2、 根据权利要求1所述的低老化率小型高稳恒温晶振，其特征在于，还包括 控温电路，所述控温电路由直流电桥、运算放大器和直流功率放大器依次串接组成；所 述的直流电桥内包含有热敏电阻，在所述直流功率放大器上设置有导热片，所述的热敏 电阻设置在导热片上；所述温控电路根据热敏电阻输出信号来控制所述的直流功率放大 器。
3、 根据权利要求1所述的低老化率小型高稳恒温晶振，其特征在于，所述的 匹配网络为使得主振级与幅度放大器之间达到阻抗最佳匹配的高通滤波器。
4、 根据权利要求1所述的低老化率小型高稳恒温晶振，其特征在于，所述的 幅度放大器采用场效应管作为放大器。
5、 根据权利要求1~4任一项所述的低老化率小型高稳恒温晶振，其特征在于， 所述的输出电路中设有并联谐振回路。
专利摘要本实用新型公开了一种低老化率小型高稳恒温晶振，其特征在于，包括晶体振荡电路，所述晶体振荡电路由主振级电路、匹配网络、幅度放大器、输出电路和隔离网络五部分依次串接组成；所述的主振级电路中的振荡管为场效应管；还包括控温电路；本低老化率小型高稳恒温晶振的体积小于等于15cm³；老化率为10^-11/日；短期稳定度为5×10^-12/S；工作频率为40MHz。
文档编号H03B5/36GK201282448SQ20082015843
公开日2009年7月29日 申请日期2008年9月10日 优先权日2008年9月10日
发明者单涨国 申请人:长沙太阳人电子有限公司