一種提高頻率穩定性的SAW振蕩器設計

文/崔敬澤 張立冬

1 引言

晶體振蕩器作為高穩定的時鐘源，是多種設備的關鍵部件。它被廣泛應用在移動通信、無線電通信、工業測量等各種應用上。這些應用和設備高速、大量數據傳輸的趨勢，使得高頻晶體振蕩器的需求不斷增長。

基極接地的共基電容三點式晶體振蕩器的輸出頻率由晶體諧振器和兩個外接電容生成，它具有良好的短期穩定度。然而，在高頻率范圍，振蕩回路的電容很小，晶體管的寄生參量，如極間電容、極間電阻等影響變大。這使得振蕩器的穩定性下降。因此在電路設計中，我們需要減小晶體管寄生參量的影響。這可以通過減小晶體管各端極之間的介入系數P來實現。

在本文中，我們將先介紹典型的共基電容三點式晶體振蕩器電路，然后介紹減小晶體管各端極之間的介入系數P的方法，最后展示用該方案設計的433MHz SAW振蕩器。

2 典型共基電容三點式晶體振蕩器電路分析

電路圖如圖1所示。

圖1中RB1、RB2、RE為直流偏置電阻。CB是基極偏置的濾波電容，CC是輸出耦合電容，它們對交流應當等效短路。LC是集電極高頻扼流圈，對交流開路。直流電源EC對于交流等效短路接地。RB1、RB2被交流短路。由此可畫出該電路的交流等效電路，如圖2所示。圖中RL為外接負載電阻，石英諧振器Y、C1、C2構成振蕩器的選頻網絡，它的無載諧振阻抗為Re0。

該電路的反饋信號從電容端得到，對于晶振工作頻率的高次諧波，電容容抗小，因而反饋電壓小，振蕩器的波形質量好。另外，由于反饋電壓取自電容，所以使相位減小，從而提高了振蕩器的頻率穩定度。由此可見，共基電容三點式晶體振蕩器適于高頻工作，其工作頻率可高達上千兆赫茲的量級。

3 具有小接入系數的共基電容三點式晶體振蕩器電路

隨著工作頻率的提高，共基電容三點式晶體振蕩器電路中振蕩回路的電容變得很小。晶體管極間電容Cbe、Cce均與回路電容C2、C1并聯，它們的影響變大。由于極間電容受電壓、溫度等因素的影響而變化，這導致振蕩器的穩定性下降。為減小晶體管寄生參量的影響，我們提出了改進的共基電容三點式晶體振蕩器電路。其出發點就是減小晶體管各端極之間的接入系數P。

圖3所示為改進的共基電容三點式晶體振蕩器電路，圖4是它的交流等效電路。

改進的共基電容三點式晶體振蕩器電路的主要區別是在晶體支路串入一個小電容C3，且C3=C1、C3=C2。因此，回路的總電容C≈C3。振蕩器的工作頻率：

其中L為晶體在工作頻率時的等效電感。工作頻率主要由晶體和C3決定。與C1、C2相并聯的極間電容Cce、Cbe、Ccb對它的影響大大減小，振蕩器的穩定性提高。C3越小，晶體管各端極之間的接入系數越小，晶體管寄生參量的影響越小，振蕩器的穩定性越高。c、e兩個電極間的接入系數：

其 中，C’1=C1+Cce，C’2=C2+Cbe。b、e兩個電極間的接入系數：

c、b兩電極間的接入系數：

晶體管各端之間的接入系數均小于1。晶體管寄生參量對選頻回路的影響大大減小。C3越小，接入系數越小，這種影響越小，選頻回路的諧振頻率ω0與C’1、C’2的關系越小。振蕩器工作頻率的穩定性基本由選頻回路本身的穩定性決定，而與晶體管參量的關系甚小。

表1

圖1：共基電容三點式振蕩器電路

圖2：共基電容三點式交流通路

圖3：改進的共基電容三點式晶體振蕩器電路

4 433MHz SAW振蕩器設計

我們選用的433MHz SAW諧振器的參數如表1所示。

電路結構如圖5所示。

圖4：改進的共基電容三點式交流通路

圖5：433MHzSAW振蕩器電路圖

圖6：寄生特性

圖7：壓控特性

圖8：頻率溫度特性

其中LC為高頻扼流圈，對交流開路。變容二極管D被放在振蕩回路中，它通過改變振蕩器的負載電容來控制其頻率。另外，這個電路輸出級采用射隨電路，帶載能力強。整個電路的電源電壓為3.3V，壓控電壓為1.65V±1.65V。

圖6是這個振蕩器的寄生特性。由于SAW為基頻振蕩，次諧波在這里不存在。次諧波是影響振蕩器抖動特性的主要負面因素。因此，這個設計對降低實際應用中出現的誤碼等問題具有良好的效果。

圖7是這個振蕩器的壓控特性。數據顯示了壓控電壓從0V到3.3V變化時的頻率偏移曲線。

圖8是這個振蕩器的頻率溫度特性。升溫區間為-40℃～85℃，升溫速率為8℃/min。

5 結論

共基電容三點式晶體振蕩器電路具有良好的高頻特性，適用于高頻工作。隨著振蕩頻率的提高，晶體管極間寄生參量的影響變大。我們通過減小晶體管各端極之間的接入系數，大大減小了其寄生參量的影響，使得振蕩器的穩定性提高。

同時，我們從433MHz SAW振蕩器的設計中證實，改進的共基電容三點式晶體振蕩器電路，對于高頻范圍具有良好的效果。我們將進一步研究提高這個電路穩定性的方法。