原创 无线系统应用之晶振放大器的设计

2008-12-19 23:30 5233 5 5 分类: 模拟

晶振放大器的设计<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />


 


这次来谈一下晶振放大器的设计, 所谓晶振放大器, 就是用来激励Xtal振荡子振荡的电路. 现在一般无线接收发送系统中都集合了此功能电路, 保证PLL的稳定工作. 现在流行的无线接收, GPS, 数字电视, 3G等接收系统, PLL锁环的时间要求越来越高, 并且考虑到提供高性能的相位噪声. PLL的基准频率一般都设计的较高.


射频系统中, 常用的Xtal振荡频率一般在几MHz-几百MHz, 说到晶振放大器, 设计者肯定会想到常用的74HCU04或者74HC04的芯片, 前者是unbuffer, 即只有1段振荡电路; 后者是buffer, 即有三段振荡电路.


74HCU04的功耗相对小一些, 低频段gain, 但是带宽较窄, 耐噪声比较差, 另外异常振荡也相对容易发生.


一般的水晶振荡子的内部结构为


<?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" />


 


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晶振的基本谐振频率如下式决定:



freq=1/(2*pi*sqrt(Lo*C))


 


一般C0要比C1大几十之几百倍, R1一般只有数欧姆-几十欧姆, R越大, 晶振子的频率一般越易变动, xtal的频率偏差性能较差. 晶振的频率偏差一般用ppm表示, (freq-freq0)/freq0, 例如16MHz的振荡子测试出的实际频率为16.000048MHz的话, 即偏差为3ppm. 振荡子的自身温度变动成2次曲线特性, 一般芯片的保存温度范围内, 数元的xtal的温度变动在数ppm-几十ppm左右.


这里再来详细谈一下振荡子的等价电路, L1越大, Q越高, 振荡稳定性越高. R1越大的话, 稳定性越低, C0一般是由晶振的内部电极间的厚度, 电极的面积决定. 由于C0一般比C1大数百倍, 当对水晶振荡子电极两端加电压时, C0上的电荷通过R1, L1C1放电, L1,C1由很小的振幅开始放大至振荡. 只是频率为f0. 另外一方面C1也会反过来向C0放电, 形成了并联的振荡电路,.


接着我们来谈一下晶振放大器设计的几个主要问题


1)      激励放大电路,


最简单的放大电路就是CMOS inverter之类的电阻反馈inverter电路, 此类放大电路, 设计简单, 根据振荡器的频率, 大概这次频率处设计至少有8dB以上的增益. Gain太大, 耗费过多的电流, gain过小, 易导致振荡不稳定.


inverter的电路调节, 如果有人感兴趣的话, 可以留言, 我再适当的展开谈谈.


2)      负载电容


为了保证振荡电路的频率偏移小, 一般要在两端加负荷电容.



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如上图所示, C1, C2一般要取数pF以上的值, 既可以调节绝对频率, 又可以稳定振荡.


 


3)      上图Rd的作用


Rd一般用来防止振荡器不稳振荡, 比如16MHz的振荡子, 也有可能16*3MHz处振荡(如果32Mhzgain也足够大的话) , 一般取数百-K欧姆.


注意Rd的取值会影响到振荡电路的相位噪声, 太大的值会恶化噪声.


 


4)      测试基板的设计


上述振荡器设计后, 测试的情况, 一般不要在xtal的下层布线, 容易使噪声引入.


另外Rd段的布线要尽量短.


 


 


到此我们基本上谈了一下最基本的晶振放大器的设计, 以后有机会再谈一下其他的电路结构, 可以消去xtal的温度特性, 或者是诸如单pin的结构电路等.


 


: 本文属原创技术文献, 需要转载请表明出处.


 


 


 


 


 


 


 


 


 


 

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文章评论1条评论)

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用户229628 2010-3-20 14:41

楼主说得很好,期待继续。
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