一种提高频率稳定性的SAW振荡器设计

文/崔敬泽 张立冬

1 引言

晶体振荡器作为高稳定的时钟源，是多种设备的关键部件。它被广泛应用在移动通信、无线电通信、工业测量等各种应用上。这些应用和设备高速、大量数据传输的趋势，使得高频晶体振荡器的需求不断增长。

基极接地的共基电容三点式晶体振荡器的输出频率由晶体谐振器和两个外接电容生成，它具有良好的短期稳定度。然而，在高频率范围，振荡回路的电容很小，晶体管的寄生参量，如极间电容、极间电阻等影响变大。这使得振荡器的稳定性下降。因此在电路设计中，我们需要减小晶体管寄生参量的影响。这可以通过减小晶体管各端极之间的介入系数P来实现。

在本文中，我们将先介绍典型的共基电容三点式晶体振荡器电路，然后介绍减小晶体管各端极之间的介入系数P的方法，最后展示用该方案设计的433MHz SAW振荡器。

2 典型共基电容三点式晶体振荡器电路分析

电路图如图1所示。

图1中RB1、RB2、RE为直流偏置电阻。CB是基极偏置的滤波电容，CC是输出耦合电容，它们对交流应当等效短路。LC是集电极高频扼流圈，对交流开路。直流电源EC对于交流等效短路接地。RB1、RB2被交流短路。由此可画出该电路的交流等效电路，如图2所示。图中RL为外接负载电阻，石英谐振器Y、C1、C2构成振荡器的选频网络，它的无载谐振阻抗为Re0。

该电路的反馈信号从电容端得到，对于晶振工作频率的高次谐波，电容容抗小，因而反馈电压小，振荡器的波形质量好。另外，由于反馈电压取自电容，所以使相位减小，从而提高了振荡器的频率稳定度。由此可见，共基电容三点式晶体振荡器适于高频工作，其工作频率可高达上千兆赫兹的量级。

3 具有小接入系数的共基电容三点式晶体振荡器电路

随着工作频率的提高，共基电容三点式晶体振荡器电路中振荡回路的电容变得很小。晶体管极间电容Cbe、Cce均与回路电容C2、C1并联，它们的影响变大。由于极间电容受电压、温度等因素的影响而变化，这导致振荡器的稳定性下降。为减小晶体管寄生参量的影响，我们提出了改进的共基电容三点式晶体振荡器电路。其出发点就是减小晶体管各端极之间的接入系数P。

图3所示为改进的共基电容三点式晶体振荡器电路，图4是它的交流等效电路。

改进的共基电容三点式晶体振荡器电路的主要区别是在晶体支路串入一个小电容C3，且C3=C1、C3=C2。因此，回路的总电容C≈C3。振荡器的工作频率：

其中L为晶体在工作频率时的等效电感。工作频率主要由晶体和C3决定。与C1、C2相并联的极间电容Cce、Cbe、Ccb对它的影响大大减小，振荡器的稳定性提高。C3越小，晶体管各端极之间的接入系数越小，晶体管寄生参量的影响越小，振荡器的稳定性越高。c、e两个电极间的接入系数：

其 中，C’1=C1+Cce，C’2=C2+Cbe。b、e两个电极间的接入系数：

c、b两电极间的接入系数：

晶体管各端之间的接入系数均小于1。晶体管寄生参量对选频回路的影响大大减小。C3越小，接入系数越小，这种影响越小，选频回路的谐振频率ω0与C’1、C’2的关系越小。振荡器工作频率的稳定性基本由选频回路本身的稳定性决定，而与晶体管参量的关系甚小。

表1

图1：共基电容三点式振荡器电路

图2：共基电容三点式交流通路

图3：改进的共基电容三点式晶体振荡器电路

4 433MHz SAW振荡器设计

我们选用的433MHz SAW谐振器的参数如表1所示。

电路结构如图5所示。

图4：改进的共基电容三点式交流通路

图5：433MHzSAW振荡器电路图

图6：寄生特性

图7：压控特性

图8：频率温度特性

其中LC为高频扼流圈，对交流开路。变容二极管D被放在振荡回路中，它通过改变振荡器的负载电容来控制其频率。另外，这个电路输出级采用射随电路，带载能力强。整个电路的电源电压为3.3V，压控电压为1.65V±1.65V。

图6是这个振荡器的寄生特性。由于SAW为基频振荡，次谐波在这里不存在。次谐波是影响振荡器抖动特性的主要负面因素。因此，这个设计对降低实际应用中出现的误码等问题具有良好的效果。

图7是这个振荡器的压控特性。数据显示了压控电压从0V到3.3V变化时的频率偏移曲线。

图8是这个振荡器的频率温度特性。升温区间为-40℃～85℃，升温速率为8℃/min。

5 结论

共基电容三点式晶体振荡器电路具有良好的高频特性，适用于高频工作。随着振荡频率的提高，晶体管极间寄生参量的影响变大。我们通过减小晶体管各端极之间的接入系数，大大减小了其寄生参量的影响，使得振荡器的稳定性提高。

同时，我们从433MHz SAW振荡器的设计中证实，改进的共基电容三点式晶体振荡器电路，对于高频范围具有良好的效果。我们将进一步研究提高这个电路稳定性的方法。