淺析一種60 MHz的正弦波鐘振電路

姜耀升

(陜西華經(jīng)微電子股份有限公司，陜西 西安 710065)

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淺析一種60 MHz的正弦波鐘振電路

姜耀升

(陜西華經(jīng)微電子股份有限公司，陜西 西安 710065)

摘要:詳細(xì)介紹了60 MHz正弦波鐘振電路的研制方案，包括電路原理、研制方法、外型結(jié)構(gòu)及技術(shù)難點(diǎn)的解決。

關(guān)鍵詞：晶體；鐘振電路；厚膜；可靠性

1　技術(shù)指標(biāo)

基于厚膜混合集成電路工藝研制的一種正弦波鐘振電路，主要用于設(shè)備控制系統(tǒng)中，起著時(shí)鐘基準(zhǔn)源的作用。

該產(chǎn)品的電特性見表1。

表1　主要電特性

產(chǎn)品使用環(huán)境最大額定值：正電源電壓(UCC) +5.0 V±1.0 V；工作頻率(fo)60 MHz；工作溫度范圍(TA) -55 ℃～+125 ℃；貯存溫度范圍(TS)-60 ℃～+150 ℃。

外形尺寸如圖1。

2　設(shè)計(jì)方案確定

2.1　設(shè)計(jì)方案的確定

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，確定了正弦波鐘振電路的研制方案。整個(gè)電路由三部分組成，第一部分是晶體信號(hào)源，它是整個(gè)電路振蕩的起點(diǎn)，主要由一個(gè)60 MHz的晶體構(gòu)成；第二部分是一級(jí)放大電路，因?yàn)榘羞x頻網(wǎng)絡(luò)，也可以稱作選頻放大電路；第三部分是二級(jí)放大電路，這兩部分之間通過一個(gè)耦合電容連接，組成一個(gè)兩級(jí)阻容耦合放大電路，每一部分由高速三極管2SC3356組成，放大形式基本一致，只是部分參數(shù)不同。

尺寸符號(hào)數(shù)值/mm最小公稱最大尺寸符號(hào)數(shù)值/mm最小公稱最大E――15.00A――10.00E1―7.62―L5.00―7.00D――25.00φb0.35―0.55D1―15.24―圖1 外形尺寸

具體的電路方框圖如圖2。

圖2 電路方框圖

2.2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工藝方面采用厚膜混合集成電路裸芯片技術(shù)及其工藝，進(jìn)行二次集成；結(jié)構(gòu)上采用標(biāo)準(zhǔn)的4線雙列直插金屬外殼封裝。

2.3　設(shè)計(jì)原理

本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理是將一個(gè)驅(qū)動(dòng)能力很弱的晶體信號(hào)放大為具有一定驅(qū)動(dòng)能力的、與負(fù)載相匹配的、穩(wěn)定的正弦波信號(hào)，放大過程中頻率保持不變。按照一般的分立元器件交流信號(hào)放大模式，先對(duì)晶體信號(hào)進(jìn)行一級(jí)放大、整形，在驅(qū)動(dòng)能力方面，經(jīng)過一級(jí)放大的正弦波信號(hào)很難滿足負(fù)載需要，必須進(jìn)行二級(jí)放大電路進(jìn)行交流放大，放大后的信號(hào)經(jīng)過電容濾波，通過阻容耦合的方式送出所需要的正弦波信號(hào)。由于兩級(jí)放大電路通過阻容耦合的方式連接，所以各級(jí)之間的直流通路各不相通，只對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行放大。

電路工作原理圖見圖3。

圖3 電路原理圖

圖3中第一部分為晶體信號(hào)源，主要由晶體B1、濾波電容C1組成，該晶體工作頻率為60 MHz，工作電壓由電阻R1和R2分壓產(chǎn)生，加電后振蕩輸出60 MHz的交流小信號(hào)。

第二部分為一級(jí)放大電路，主要由高速三極管2SC3356、分壓電阻R1和R2、選頻網(wǎng)絡(luò)電感L1和電容C2、反饋電阻R3及旁路電容C3組成。三極管2SC3356最高工作頻率為7 000 MHz，最大工作電流為100 mA，完全能夠滿足設(shè)計(jì)需要。加電工作時(shí)，分壓電阻R1和R2提供給三極管T1正向偏置電壓UB，保證三極管工作在放大區(qū)，同時(shí)取值得當(dāng)，使三極管有合適的靜態(tài)工作電流。正向偏置電壓UB表達(dá)式如下：

電感L1和電容C2組成一級(jí)放大電路中的選頻網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性，只有當(dāng)輸入頻率等于選頻網(wǎng)絡(luò)諧振頻率fo時(shí)，信號(hào)電壓放大倍數(shù)的數(shù)值最大，且無附加相移，而對(duì)于其余頻率的信號(hào)，電壓放大倍數(shù)不但數(shù)值減小，且存在附加相移，所以該電路也可稱為選頻放大電路，諧振頻率fo的表達(dá)式如下：

當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，三極管2SC3356的放大倍數(shù)將增大，導(dǎo)致靜態(tài)工作點(diǎn)向飽和區(qū)變化，因此這里引入直流負(fù)反饋的方法穩(wěn)定電路靜態(tài)工作點(diǎn)，在穩(wěn)定的過程中，反饋電阻R3起著重要作用。

第三部分是二級(jí)放大電路，其工作原理與一級(jí)放大電路基本一樣，只是參數(shù)不同，這里不再敘述。

一級(jí)放大電路和二級(jí)放大電路之間通過阻容耦合方式銜接，耦合電容為C4。由于電容對(duì)直流量的電抗為無窮大，因而阻容耦合放大電路兩級(jí)之間的直流通路各不相通，各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，只要耦合電容容量針對(duì)工作頻率選擇得當(dāng)，一級(jí)放大電路的交流輸出信號(hào)可以幾乎沒有衰減的傳遞到二級(jí)放大電路的輸入端，因此電路的分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試簡單易行。

輸出端同樣采用阻容耦合的方式送出正弦波信號(hào)，耦合電容為C8，C7是輸出濾波電容，C9是電源濾波電容。

3　技術(shù)難點(diǎn)及解決措施

3.1　選頻的確定

最初電路設(shè)計(jì)采用估算的方式確定所有元器件參數(shù)，對(duì)線路的工作狀態(tài)沒有做到實(shí)際、深入地認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)樣品的電性能不合格。尤其是一級(jí)放大電路部分選頻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)不準(zhǔn)確是電路存在問題的主要原因。在初樣產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，選頻網(wǎng)絡(luò)中電感采用片式0805陶瓷疊層電感，電感感量為33 nH，電容容量為100 pF，通過計(jì)算得出選頻網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率約為87.7 MHz，由此可見，選頻網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率取值過于偏大，造成輸出正弦波頻率不準(zhǔn)確，輸出功率偏低。同時(shí)，選頻網(wǎng)絡(luò)中電感感值太低，電容容量過高，而選頻網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因素與電感成正比關(guān)系，與電容成反比關(guān)系，依此評(píng)價(jià)，該選頻網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)偏低，選頻特性差，必須重新選擇參數(shù)。

通過大量實(shí)驗(yàn)，結(jié)合電路中旁路電容和寄生參數(shù)，遵循較高的選頻網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)因數(shù)原則，將電感感量定為56 nH，電容容量為82 pF，結(jié)果表明，輸出波形頻率與前級(jí)晶體的工作頻率基本一致，而且選頻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的準(zhǔn)確確定使得輸出功率提高到4 dBm，整個(gè)波形的失真度進(jìn)一步減小，滿足了產(chǎn)品要求。

3.2　線繞電感的確定

通過對(duì)選頻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的確定，在產(chǎn)品的電性能指標(biāo)方面取得了一定的進(jìn)步，各項(xiàng)指標(biāo)基本符合要求，初樣遇到的問題都得到了提高，輸出正弦波頻率、輸出功率以及輸出波形失真度都得到明顯改善。按照前期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)生產(chǎn)出正樣產(chǎn)品，常溫測(cè)試結(jié)果一切正常?？墒?，意想不到的事情是在-55 ℃低溫環(huán)境下，所有產(chǎn)品輸出功率急劇變小，最小的竟低到-6 dBm。就此問題，起初懷疑電路的靜態(tài)工作點(diǎn)偏移過大，可實(shí)際測(cè)試表明，兩級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)正常。而所有電容、電感都來自合格定點(diǎn)廠家，器件的質(zhì)量毋庸置疑，同時(shí)用戶提供的晶體在負(fù)溫環(huán)境下單獨(dú)測(cè)試，滿足產(chǎn)品要求。查閱片式電感的有關(guān)資料，陶瓷疊層電感品質(zhì)因數(shù)遠(yuǎn)不及于線繞電感，而且直流阻抗大，工作電流小。在該電路選頻網(wǎng)絡(luò)中，如果電感的品質(zhì)因數(shù)過低，選頻網(wǎng)絡(luò)諧振頻率就會(huì)偏高，選頻特性差，信號(hào)電壓放大倍數(shù)的數(shù)值變小，繼而導(dǎo)致輸出正弦波功率降低。掌握了以上信息后，迅速購回相同電感值的片式線繞電感，并進(jìn)行更換，常溫下測(cè)試，產(chǎn)品輸出功率提高到+8 dBm，工作頻率穩(wěn)定，輸出波形失真度稍微變大，但能夠滿足產(chǎn)品要求。在-55 ℃低溫環(huán)境下，輸出功率減小到5 dBm，同樣滿足要求，其它功能都正常，完全滿足用戶要求。采用陶瓷疊層電感和線繞電感后產(chǎn)品部分電性能對(duì)比如表2。陶瓷疊層電感和線繞電感部分參數(shù)對(duì)比如表3。

表2　采用陶瓷疊層電感和線繞電感后產(chǎn)品部分電性能對(duì)比

表3　陶瓷疊層電感和線繞電感部分參數(shù)對(duì)比

4　產(chǎn)品特點(diǎn)

4.1　功耗小、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、可靠性高

在該產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，采用了厚膜混合集成電路裸芯片工藝和兩極放大電路，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加可靠，產(chǎn)品功耗小、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。

4.2　適用范圍廣，使用方便

由于晶體信號(hào)源精度高，溫度穩(wěn)定性好，所以在高精度數(shù)字控制系統(tǒng)中作為基準(zhǔn)信號(hào)源應(yīng)用范圍較廣，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠起著至關(guān)重要的作用。再加上產(chǎn)品體積小，使用更加方便。

5　結(jié)束語

該產(chǎn)品具有工作頻率高、溫度穩(wěn)定性好、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、功耗小、可靠性高、全金屬屏蔽封殼、適用范圍廣、整機(jī)調(diào)試使用方便等優(yōu)點(diǎn)，可為用戶節(jié)約大量的調(diào)試時(shí)間，提高工作效率。

該產(chǎn)品研制成功，適合批量生產(chǎn)，用戶試用情況良好，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益 。

參考文獻(xiàn)：

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[4]謝沅清.模擬集成電路應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社,2003.

設(shè)計(jì)應(yīng)用

Elementary Analysis of a 60 MHz Sine Wave Clock Oscillator Circuit

JIANG Yao-sheng

(Shanxi Huajing Micro Electronic Co., Ltd., Xi'an 710065, China)

Abstract:The simple analysis of a 60 MHz sine wave clock oscillator circuit is presented in detail including circuit principle, developing method, formal structure and solution of key problems.

Key words:crystal; clock oscillator circuit; thick-film; reliability

中圖分類號(hào)：TM732

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3664(2015)02-0081-03

作者簡介：姜耀升(1976-)，男，陜西禮泉人，設(shè)計(jì)所副所長，工程師，長期從事厚膜混合集成電路以及DC/DC電源的設(shè)計(jì)與管理工作。

收稿日期：2014-12-25