浅析一种60 MHz的正弦波钟振电路

姜耀升

(陕西华经微电子股份有限公司，陕西 西安 710065)



浅析一种60 MHz的正弦波钟振电路

姜耀升

(陕西华经微电子股份有限公司，陕西 西安 710065)

摘要:详细介绍了60 MHz正弦波钟振电路的研制方案，包括电路原理、研制方法、外型结构及技术难点的解决。

关键词：晶体；钟振电路；厚膜；可靠性

1　技术指标

基于厚膜混合集成电路工艺研制的一种正弦波钟振电路，主要用于设备控制系统中，起着时钟基准源的作用。

该产品的电特性见表1。

表1　主要电特性

产品使用环境最大额定值：正电源电压(UCC) +5.0 V±1.0 V；工作频率(fo)60 MHz；工作温度范围(TA) -55 ℃～+125 ℃；贮存温度范围(TS)-60 ℃～+150 ℃。

外形尺寸如图1。

2　设计方案确定

2.1　设计方案的确定

根据以上设计思路，确定了正弦波钟振电路的研制方案。整个电路由三部分组成，第一部分是晶体信号源，它是整个电路振荡的起点，主要由一个60 MHz的晶体构成；第二部分是一级放大电路，因为包含有选频网络，也可以称作选频放大电路；第三部分是二级放大电路，这两部分之间通过一个耦合电容连接，组成一个两级阻容耦合放大电路，每一部分由高速三极管2SC3356组成，放大形式基本一致，只是部分参数不同。

尺寸符号数值/mm最小公称最大尺寸符号数值/mm最小公称最大E――15.00A――10.00E1―7.62―L5.00―7.00D――25.00φb0.35―0.55D1―15.24―图1 外形尺寸

具体的电路方框图如图2。

图2 电路方框图

2.2　结构设计

工艺方面采用厚膜混合集成电路裸芯片技术及其工艺，进行二次集成；结构上采用标准的4线双列直插金属外壳封装。

2.3　设计原理

本产品的设计原理是将一个驱动能力很弱的晶体信号放大为具有一定驱动能力的、与负载相匹配的、稳定的正弦波信号，放大过程中频率保持不变。按照一般的分立元器件交流信号放大模式，先对晶体信号进行一级放大、整形，在驱动能力方面，经过一级放大的正弦波信号很难满足负载需要，必须进行二级放大电路进行交流放大，放大后的信号经过电容滤波，通过阻容耦合的方式送出所需要的正弦波信号。由于两级放大电路通过阻容耦合的方式连接，所以各级之间的直流通路各不相通，只对交流信号进行放大。

电路工作原理图见图3。

图3 电路原理图

图3中第一部分为晶体信号源，主要由晶体B1、滤波电容C1组成，该晶体工作频率为60 MHz，工作电压由电阻R1和R2分压产生，加电后振荡输出60 MHz的交流小信号。

第二部分为一级放大电路，主要由高速三极管2SC3356、分压电阻R1和R2、选频网络电感L1和电容C2、反馈电阻R3及旁路电容C3组成。三极管2SC3356最高工作频率为7 000 MHz，最大工作电流为100 mA，完全能够满足设计需要。加电工作时，分压电阻R1和R2提供给三极管T1正向偏置电压UB，保证三极管工作在放大区，同时取值得当，使三极管有合适的静态工作电流。正向偏置电压UB表达式如下：

电感L1和电容C2组成一级放大电路中的选频网络。根据LC并联网络的频率特性，只有当输入频率等于选频网络谐振频率fo时，信号电压放大倍数的数值最大，且无附加相移，而对于其余频率的信号，电压放大倍数不但数值减小，且存在附加相移，所以该电路也可称为选频放大电路，谐振频率fo的表达式如下：

当环境温度升高时，三极管2SC3356的放大倍数将增大，导致静态工作点向饱和区变化，因此这里引入直流负反馈的方法稳定电路静态工作点，在稳定的过程中，反馈电阻R3起着重要作用。

第三部分是二级放大电路，其工作原理与一级放大电路基本一样，只是参数不同，这里不再叙述。

一级放大电路和二级放大电路之间通过阻容耦合方式衔接，耦合电容为C4。由于电容对直流量的电抗为无穷大，因而阻容耦合放大电路两级之间的直流通路各不相通，各级的静态工作点相互独立，只要耦合电容容量针对工作频率选择得当，一级放大电路的交流输出信号可以几乎没有衰减的传递到二级放大电路的输入端，因此电路的分析、设计和调试简单易行。

输出端同样采用阻容耦合的方式送出正弦波信号，耦合电容为C8，C7是输出滤波电容，C9是电源滤波电容。

3　技术难点及解决措施

3.1　选频的确定

最初电路设计采用估算的方式确定所有元器件参数，对线路的工作状态没有做到实际、深入地认识，导致设计样品的电性能不合格。尤其是一级放大电路部分选频网络参数不准确是电路存在问题的主要原因。在初样产品设计过程中，选频网络中电感采用片式0805陶瓷叠层电感，电感感量为33 nH，电容容量为100 pF，通过计算得出选频网络的谐振频率约为87.7 MHz，由此可见，选频网络的谐振频率取值过于偏大，造成输出正弦波频率不准确，输出功率偏低。同时，选频网络中电感感值太低，电容容量过高，而选频网络的品质因素与电感成正比关系，与电容成反比关系，依此评价，该选频网络的品质因数偏低，选频特性差，必须重新选择参数。

通过大量实验，结合电路中旁路电容和寄生参数，遵循较高的选频网络品质因数原则，将电感感量定为56 nH，电容容量为82 pF，结果表明，输出波形频率与前级晶体的工作频率基本一致，而且选频网络参数的准确确定使得输出功率提高到4 dBm，整个波形的失真度进一步减小，满足了产品要求。

3.2　线绕电感的确定

通过对选频网络参数的确定，在产品的电性能指标方面取得了一定的进步，各项指标基本符合要求，初样遇到的问题都得到了提高，输出正弦波频率、输出功率以及输出波形失真度都得到明显改善。按照前期的实验结果设计生产出正样产品，常温测试结果一切正常。可是，意想不到的事情是在-55 ℃低温环境下，所有产品输出功率急剧变小，最小的竟低到-6 dBm。就此问题，起初怀疑电路的静态工作点偏移过大，可实际测试表明，两级放大电路的静态工作点正常。而所有电容、电感都来自合格定点厂家，器件的质量毋庸置疑，同时用户提供的晶体在负温环境下单独测试，满足产品要求。查阅片式电感的有关资料，陶瓷叠层电感品质因数远不及于线绕电感，而且直流阻抗大，工作电流小。在该电路选频网络中，如果电感的品质因数过低，选频网络谐振频率就会偏高，选频特性差，信号电压放大倍数的数值变小，继而导致输出正弦波功率降低。掌握了以上信息后，迅速购回相同电感值的片式线绕电感，并进行更换，常温下测试，产品输出功率提高到+8 dBm，工作频率稳定，输出波形失真度稍微变大，但能够满足产品要求。在-55 ℃低温环境下，输出功率减小到5 dBm，同样满足要求，其它功能都正常，完全满足用户要求。采用陶瓷叠层电感和线绕电感后产品部分电性能对比如表2。陶瓷叠层电感和线绕电感部分参数对比如表3。

表2　采用陶瓷叠层电感和线绕电感后产品部分电性能对比

表3　陶瓷叠层电感和线绕电感部分参数对比

4　产品特点

4.1　功耗小、驱动能力强、可靠性高

在该产品设计中，采用了厚膜混合集成电路裸芯片工艺和两极放大电路，使得产品设计更加可靠，产品功耗小、驱动能力强。

4.2　适用范围广，使用方便

由于晶体信号源精度高，温度稳定性好，所以在高精度数字控制系统中作为基准信号源应用范围较广，对整个系统的稳定、可靠起着至关重要的作用。再加上产品体积小，使用更加方便。

5　结束语

该产品具有工作频率高、温度稳定性好、驱动能力强、功耗小、可靠性高、全金属屏蔽封壳、适用范围广、整机调试使用方便等优点，可为用户节约大量的调试时间，提高工作效率。

该产品研制成功，适合批量生产，用户试用情况良好，具有良好的经济效益 。

参考文献：

[1]曾兴雯.高频电子线路[M].北京：高等教育出版社,2006.

[2]曾兴雯.高频电路原理与分析[M].西安：西安电子科技大学出版社,2011.

[3]王淑娟,于泳.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社,2004.

[4]谢沅清.模拟集成电路应用[M].北京：人民邮电出版社,2003.

设计应用

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

中图分类号：TM732

文献标识码：A

文章编号：1009-3664(2015)02-0081-03

作者简介：姜耀升(1976-)，男，陕西礼泉人，设计所副所长，工程师，长期从事厚膜混合集成电路以及DC/DC电源的设计与管理工作。

收稿日期：2014-12-25