文/崔敬澤 張立冬

1 引言

晶體振蕩器作為高穩(wěn)定的時(shí)鐘源，是多種設(shè)備的關(guān)鍵部件。它被廣泛應(yīng)用在移動(dòng)通信、無線電通信、工業(yè)測(cè)量等各種應(yīng)用上。這些應(yīng)用和設(shè)備高速、大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)内厔?shì)，使得高頻晶體振蕩器的需求不斷增長(zhǎng)。

基極接地的共基電容三點(diǎn)式晶體振蕩器的輸出頻率由晶體諧振器和兩個(gè)外接電容生成，它具有良好的短期穩(wěn)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(wěn)定性下降。因此在電路設(shè)計(jì)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(shù)P來實(shí)現(xiàn)。

在本文中，我們將先介紹典型的共基電容三點(diǎn)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(shù)P的方法，最后展示用該方案設(shè)計(jì)的433MHz SAW振蕩器。

2 典型共基電容三點(diǎn)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(duì)交流應(yīng)當(dāng)?shù)刃Ф搪?。LC是集電極高頻扼流圈，對(duì)交流開路。直流電源EC對(duì)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(fù)載電阻，石英諧振器Y、C1、C2構(gòu)成振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)，它的無載諧振阻抗為Re0。

該電路的反饋信號(hào)從電容端得到，對(duì)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(zhì)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(wěn)定度。由此可見，共基電容三點(diǎn)式晶體振蕩器適于高頻工作，其工作頻率可高達(dá)上千兆赫茲的量級(jí)。

3 具有小接入系數(shù)的共基電容三點(diǎn)式晶體振蕩器電路

隨著工作頻率的提高，共基電容三點(diǎn)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(lián)，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(dǎo)致振蕩器的穩(wěn)定性下降。為減小晶體管寄生參量的影響，我們提出了改進(jìn)的共基電容三點(diǎn)式晶體振蕩器電路。其出發(fā)點(diǎn)就是減小晶體管各端極之間的接入系數(shù)P。

圖3所示為改進(jìn)的共基電容三點(diǎn)式晶體振蕩器電路，圖4是它的交流等效電路。

改進(jìn)的共基電容三點(diǎn)式晶體振蕩器電路的主要區(qū)別是在晶體支路串入一個(gè)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(shí)的等效電感。工作頻率主要由晶體和C3決定。與C1、C2相并聯(lián)的極間電容Cce、Cbe、Ccb對(duì)它的影響大大減小，振蕩器的穩(wěn)定性提高。C3越小，晶體管各端極之間的接入系數(shù)越小，晶體管寄生參量的影響越小，振蕩器的穩(wěn)定性越高。c、e兩個(gè)電極間的接入系數(shù)：

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

c、b兩電極間的接入系數(shù)：

晶體管各端之間的接入系數(shù)均小于1。晶體管寄生參量對(duì)選頻回路的影響大大減小。C3越小，接入系數(shù)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(guān)系越小。振蕩器工作頻率的穩(wěn)定性基本由選頻回路本身的穩(wěn)定性決定，而與晶體管參量的關(guān)系甚小。

表1

圖1：共基電容三點(diǎn)式振蕩器電路

圖2：共基電容三點(diǎn)式交流通路

圖3：改進(jìn)的共基電容三點(diǎn)式晶體振蕩器電路

4 433MHz SAW振蕩器設(shè)計(jì)

我們選用的433MHz SAW諧振器的參數(shù)如表1所示。

電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4：改進(jìn)的共基電容三點(diǎn)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(duì)交流開路。變?nèi)荻O管D被放在振蕩回路中，它通過改變振蕩器的負(fù)載電容來控制其頻率。另外，這個(gè)電路輸出級(jí)采用射隨電路，帶載能力強(qiáng)。整個(gè)電路的電源電壓為3.3V，壓控電壓為1.65V±1.65V。

圖6是這個(gè)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(dòng)特性的主要負(fù)面因素。因此，這個(gè)設(shè)計(jì)對(duì)降低實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的誤碼等問題具有良好的效果。

圖7是這個(gè)振蕩器的壓控特性。數(shù)據(jù)顯示了壓控電壓從0V到3.3V變化時(shí)的頻率偏移曲線。

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

5 結(jié)論

共基電容三點(diǎn)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(shù)，大大減小了其寄生參量的影響，使得振蕩器的穩(wěn)定性提高。

同時(shí)，我們從433MHz SAW振蕩器的設(shè)計(jì)中證實(shí)，改進(jìn)的共基電容三點(diǎn)式晶體振蕩器電路，對(duì)于高頻范圍具有良好的效果。我們將進(jìn)一步研究提高這個(gè)電路穩(wěn)定性的方法。