低相位噪声石英晶体振荡器设计_图文

1、电子科技大学硕士学位论文低相位噪声石英晶体振荡器设计姓名:徐伟申请学位级别:硕士专业:电路与系统指导教师:鲍景富20070501 电子科技大学硕士学位论文第三章石英晶体振荡器原理正确把握各种切型的石英晶体谐振器性能是分析和设计晶体振荡器的前提。本章主要介绍了AT切和SC切两种谐振器的性能及电抗特性,并简要叙述了常见LC振荡电路。3.1石英晶体谐振器的物理特性石英是矿物质硅石的一种(现已能人工合成制造【89】,它的化学成分是Si02,其形状为结晶的六角锥体。为了便于研究,人们根据石英晶体的物理特性,在石英晶体内画出三种几何对称轴,连接两个角锥顶点的一根轴ZZ,称为光轴;在图中沿对角线的三条XX轴

2、,称为电轴,与电轴相垂直的三条YY轴,称为机械轴,如图(3.1所示。压电石英是一种各向异性的结晶体。振荡器(或滤波器中的所用的石英晶片或石英棒都是按一定的方位从石英晶体中切割出来的。垂直于x 轴而沿Y轴切割的,称为x切型,垂直于Y轴,而沿x轴切割的,称为Y切型。有AT、BT、CT、SC、DT、ET、GT、FT、NT和ST等切型。目前用得较多的是AT切型和SC切型的石英晶体谐振器。用石英晶体稳频已经有60多年历史,这期间虽然出现了各种机械谐振器,LC 图3-1几种切型的石英片的方位图12 电子科技大学硕士学位论文 图3-2AT型谐振器频率温度特性与切角的关系首先会产生一个10t.10"

3、7的过冲,然后才缓慢的趋向于另一个频率。当环境温度突然降低时,相反的过冲也会出现。热过冲是由于温度梯度在石英片内产生的热效应而引起的。石英的导热率较低,当温度变化时,石英片中的温度要经过一段较长的时间才能均匀。在达到温度均匀状态之前,石英片中各处温度不同,因而引起很大的热应力。Bottom.V E 计算出受刚性模具约束的石英片,每升高1在石英片中引起的热应力可达12个p苗j l时闻/,L”JI.f。t激励功率图3-3AT型谐振器的过热冲图3-4AT型谐振器的幅频响应14口铀q 电子科技大学硕士学位论文心。参(5.4取C8/C13=C9/C12=1/3,那么P2=1/16,这样极大的减小了负载对

4、谐振回路的影响,使回路有较高Q值。在放大器输出端接了个并联谐振回路作为选频网络,使它调谐到100MHz,让100MHz信号能够顺利通过,除此之外的信号尽可能被抑制。不同Q值得选频特性如图5.4所示,Q值越高,选频特性越好。唧甜O,四图5-8并联谐振回路归一化特性在电源供电端都加了,r形RC滤波,用于滤除各种干扰信号,减小各级间耦合。这种滤波,特别是负电源接到三极管基极的那两组,对电路的稳定性和输出信号的信噪比有很大关系,如果这两个地方滤波不好,则噪声信号就能直接进入三极管基极放大,直接影响输出的相位噪声,严重的可能导致振荡器不稳定。第一版电路板如图5-9所示。相位噪声测试曲线如图6-6所示。达

5、到指标:长宽:50×50(姗。输出波形:正弦波输出功率:>10dBm(50Q负载谐波抑制:<-25dBc杂散:<.75dBc相位噪声:-120dBc/Hz100Hz,一130dBc/Hz1KHz,.132dBc/Hz10KHz, -150dBc/Hz1MHz。 图5-9第一版电路板图42第五章石英晶体振荡电路分析将双电源电路作简单改动,变为+12V供电,电路如图5一10所示。图5一lO单电源供电电路 图5-11电路板图达到指标:输出频率:100MHz图5.12外形如图电子科技大学硕士学位论文相位噪声:输出功率:谐波抑制:输出波形:杂散抑制:-130dBc/Hz100

6、Hz-156dBc/l-Iz11KHz-163dBedHz10KHz>9dBm(50f负载<-15dBc(如图6-8所示正弦波<.75dBc体积:51x51×2(埘|m这个振荡器的相位噪声比起前一个有一些提高。由于供电电压的变化,输出波形比起用±12V供电时谐波抑制变差从一25dBc降为了一15dBc,这是因为用高电压供电,三极管的线性度比低电压好,低压时波形失真比高压时严重,所以谐波比较大。可以再加一节上c滤波器,以提高谐波抑制。为了提高谐波抑制,并进一步减小振荡器体积,将上面电路作一些改动,在该电路的输出端加了LC滤波器,省略了供电端的石形RC滤波器。新布电路板如图5.14,外形如图5.15。在电路的布局中,比上一版更加紧凑,减小了体积,为51x40x2(mm。相位噪声