原创使用SAW的LC振荡器

 2008-12-13 17:12  7191 11 6 分类: 模拟

1. LC正弦波振荡器的基本结构：
LC正弦波振荡器是通信电路中很常见的电子线路，它输出具有固定幅值、频率和相位的正弦波，一般作为通信用载波或混频用信号，有多种结构形式。
常用的正弦波振荡器一般为反馈振荡器，由一个放大器和一个反馈网络组成，为维持振荡要具备所谓奈奎斯特标准(Nyquist's criteria)：
a) 由反馈网络和放大器组成的环路的增益在振荡频率处必须大于或等于1。
b) 在振荡频率处反馈信号必须与输入信号同相，即为正反馈。同相一般是由信号相移360度得到，其中180度相移来自放大器的反相，另180度相移则来自选频反馈网络。
在RF使用时，一般使用LC选频反馈网络（低频则主要用RC选频反馈网络），依据反馈网络的结构，LC正弦波振荡器主要有Armstrong、Hartley、Colpitts/Clapp等3种基本类型，可以通过观察反馈网络来区分。

Hartley振荡器国内常称为电感三点式振荡器，标志是采用了带抽头的电感分压器，一般是用两个电感，常用于RF的低端，因为高频时线绕电感会呈现容性，破坏起振条件。
Colpitts振荡器国内常称为电容三点式振荡器，采用电容分压器提供反馈，只用一个电感而用两个电容分压，使用频率可达微波（米波）的低端，结构简单，使用普遍。
Clapp振荡器是一种改进的电容三点式振荡器，也采用电容分压器提供反馈，但L支路串联了一个小电容C3，可通过调整C3改变振荡频率，而不会影响反馈分压比，常用于可变频率场合。

2. 石英晶体谐振器：
使用LC回路的正弦波振荡器，其振荡频率由元件值决定，但元件值会因外部的温度等因素而改变，从而造成频率的漂移。为保持振荡器的频率稳定，最常用的办法就是使用晶体稳频。
最常用的晶体材料是石英，是Si的氧化物的单晶，具有压电效应，即加上电压可使其表面产生位移，也可因位移而产生电压。把石英制成薄片，并在两面接电极，就组成石英晶体谐振器，它具有固有的机械谐振频率，且Q值高达10000以上，这种频率与晶体厚度和切割方向等因素有关，而受温度影响很小。
石英晶体谐振器，最低可工作在1kHz，常用在0.6到20MHz范围内，这是指基本频率（基频），频率再高则因晶片太薄而易碎。在更高频率应用时，都取基频的奇次谐波，称为泛音(over tone)，9次泛音的晶体工作频率可达200MHz，已到极限，但实用一般多为3次、5次泛音晶体。
石英晶体的常用等效电路：

其中：Cp为晶片2端电极与石英介质组成的电容，一般在3--8p之间，是一个静态参数
Ls与Cs谐振于晶体的串联谐振频率，Rs为与损耗有关的电阻，这三者为动态参数
正规厂商资料都提供石英晶体谐振器的等效电路参数值，图中提供的是典型值。

3. 晶体稳频的正弦波振荡器的主要形式：
3.1 Pierce晶体振荡器：是一种适用晶体较广的串联谐振模式。

3.2 串联模式振荡器：是源于LC振荡器的形式，此时晶体工作于串联谐振频率，在此频率点晶体相当于小电阻，所以可以用较大电容与小电阻代替晶体接入电路来调试，这时电路仍工作于谐振频率点附近。

3.3 并联模式振荡器：也是源于LC振荡器，工作频率实际介于串联谐振频率和并联谐振频率之间，更接近于并联谐振频率，此时晶体呈现的阻抗为感抗，可看作电感来分析电路。这种电路需要较高的输入阻抗，所以常用FET作为有源元件。

4. 声表面波器件SAW：
石英晶体谐振器的最高工作频率只能到200MHz，要想在更高的频率工作，就要用复杂的PLL电路，也可以使用廉价的声表面波器件SAW(Surface Acoustic Wave)。
SAW器件的基材也要有压电效应特性，一般用ST切割石英、锂钽或锂铌陶瓷、砷化镓等。当电信号通过电极加到基材上，因压电效应而产生机械振动声波，声波在基材表面传播，在附近电极处因压电效应又转变为相同的电信号。SAW器件有谐振器、滤波器、双工器、解调器等多种用途，与相应的石英晶体器件的某些特性近似，但是插入损耗明显较大，这里主要介绍谐振器。
目前能生产SAW器件的主要是国外厂商，如EPCOS（爱普科斯）、MURATA（日本村田）、RF Monolithics、Epson、Kyocera(AVX) 等，台湾、香港和内地的一些厂商也在仿制国外的一些系列，比如德键(TOKEN)、佳朗(Caltron Devices)、惠贻华普(Hope Microelectronics)、好达(Shoulder Electronics)、鲁光(LUGUANG)、华晶达等，谐振器是其中仿制较多的。
单端口SAW谐振器的等效电路：

其中：Lm与Cm谐振于SAW的串联谐振频率，Rm为与损耗有关的电阻，这三者为动态参数
Co为SAW两端电极间的静态电容，一般Cg1=Cg2=0.5p，Co=Cp+Cg/2
无负载Q值一般在10000以上，50欧姆负载下Q值一般也能到2000。常见的433.92MHz的等效电路参数为：

双端口SAW谐振器的等效电路：

常见的双端口SAW谐振器的等效电路参数为：

5. 使用单端口SAW谐振器的正弦波振荡器分析：用于600MHz以下

电路结构明显类似晶体稳频的Colpitts振荡器，可以用反馈振荡器的分析方法，这里给出的是另一种分析法--负阻分析法。
用参考面把电路分为无源部分和有源部分，有源部分的阻抗为Re{Zia}+jIm{Zia}，无源部分阻抗为Re{Zip}+jIm{Zip}
起振条件：Re{Zia}+Re{Zip}<0
         Im{Zia}+Im{Zip}=0
这样Re{Zia}必须为负，所以称为负阻振荡器，SAW要工作于串联谐振频率上。
计算得到的振荡频率fp如图示，实际频率比计算频率略低。
    其中：L一般阻抗为j60 Ohm（当使用环形天线时约为j90～j100）
          反馈系数C1/C2选取3～6
          耦合电容Cb约47p～220pF
          选用的三极管的截止频率ft要至少为3到5倍振荡频率，大些易于起振
6. 实用的433MHz振荡器：
433.92MHz的是无线遥控方面经常要使用的ISM频段，特别是用于汽车锁。查SAW谐振器的资料，上面一般都提供了典型应用电路，但更多是理论电路，EPCOS公司的资料提供了较实用的应用电路：

这种电路在ASK(OOK)应用时，最大调制率可到2.5kHz(5kb/s NRZ)，振荡器瞬态时间30us，在3.6V电源电压时电流为3.5mA。图中三极管型号为欧洲型号，不太容易寻到，也可选择参数接近的日本型号的三极管，国内较多。
其中C1、C2、C6、L1、天线L3决定振荡频率，L2、C6为谐波抑制和天线匹配使用。我曾实际使用并调试过此种结构电路，遥控距离超15米，在谐波抑制方面有良好特性，而且所用元件少，调试得当则很容易达到FCC PART15要求的谐波低于基频20dB的要求。
433.92MHz的无线遥控一般使用PCB天线，简单、廉价而且坚固耐用，但因为PCB面积往往受限，常常需要选择特别的PCB天线形式，这就需要根据实际来适当调整元件值。调试是很花时间和精力的工作，特别是在RF应用时，因为分布参数的影响，PCB布局会影响电路工作状态，器件值也就需要做相应改变。
调试时，一般是先用47欧姆电阻来代替SAW，测试电路的自由振荡频率，然后调整元件值使频率尽量接近SAW的谐振频率，当一切参数测试好以后焊回SAW就能正常工作。这种技巧很重要，不然就无法知道怎样调整元器件值，只能撞大运。
7. 使用双端口SAW谐振器的振荡器：用于500MHz～1GHz
电路结构类似晶体的Pierce振荡器，工作于串联谐振频率。框图：

起振条件：增益 G="a"+b>1
相位 P="P1"+P2+P3+P4=nX360度