CN101227170A - 三次谐波晶体振荡器 - Google Patents

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Abstract

一种三次谐波晶体振荡器，包括振荡器IC和晶体元件。振荡器IC具有用于振荡的、发射极接地的晶体管，经由隔直电容器连接到基极并且连接到地电势的第一电容器；以及连接在晶体管的集电极和地电势之间的第二电容器。晶体元件的两端分别连接到第一和第二电容器的非接地端。提供了与第一电容器一起形成并联谐振电路的电感器，来作为与振荡器IC分离的分立元件，并且由第一电容器和电感器所形成的并联谐振电路的并联谐振频率被设置得高于晶体元件的基波的振荡频率，并且低于晶体元件的三次谐波的振荡频率。

Description

三次谐波晶体振荡器
技术领域
本发明涉及三次谐波晶体振荡器，并且特别是涉及合成了IC(集成电路)以用于晶体元件的基波振荡的三次谐波晶体振荡器。
背景技术
其中组合了石英晶体元件和带有使用晶体元件的振荡电路的集成电路的晶体振荡器具有较高的频率稳定性。因此，在各种电子设备中使用晶体振荡器来作为频率和时间的参考源。作为在这种晶体振荡器中使用的一种类型的IC，有一种由日本东京的Seiko NPC公司(http://www.npc.co.jp)制造的叫做CF 5036系列和CF 5037系列的IC。这种IC用在光数字网络的晶体振荡器中。
近年，为了加倍传输容量，需要为光数字网络使用振荡输出在300MHz频带的晶体振荡器来取代当前具有150MHz频带的振荡输出的晶体振荡器。
图1A为电路图，示出了现有晶体振荡器的例子，并且图1B为除去了盖子的晶体振荡器的平面图。
该晶体振荡器包括其中集成了振荡电路的振荡器IC 1，以及石英晶体元件(石英晶体坯)2。振荡器IC 1和晶体元件2位于容器3的凹进处。这里，假定振荡器IC是由Seiko NPC公司制造的CF 5036系列和CF 5037系列中的一个。这种振荡器IC 1是通过集成至少用于振荡的晶体管Tr、恒流源I、用于振荡的第一和第二电容器C1和C2以及隔直(DC)电容器Cs来构造的。因此，晶体管Tr的发射极接地，并且在集电极和基极之间具有偏置电阻器R。
恒流源I被提供以电源电压Vcc并且生成恒定电流。恒流源I将恒定电流提供给位于Tr的集电极和偏置电阻器R之间的连接点。用于振荡的第一电容器C1连接在基极和地电势之间。第二电容器C2连接在集电极和地电势之间。隔直电容器Cs插入到位于基极和偏置电阻器R之间的连接点与第一电容器C1之间。振荡器IC 1具有输出端子Vout，它连接到晶体管Tr的集电极。
振荡器IC 1被芯片键合于容器3的凹进的内部底表面上，并且该IC的IC端子通过引线键合的金丝4的方式被连接到在凹进的对侧纵向内壁上形成的梯状部分。晶体元件(晶体坯)2是例如AT切割的石英晶体坯，并且在两个主表面上具有激励电极(图中未示出)。引导电极从激励电极延伸到晶体元件2的一端的对侧。通过将有引导电极延伸到的晶体元件2的一端的对侧，固定到位于容器3的纵向方向上的一个端部中的内壁的梯状部分上，从而使晶体元件2容纳在容器3的凹进中。晶体坯2经由振荡器IC 1上提供的一对IC端子，被电气地连接在第一和第二电容器C1、C2的非接地端之间。
在这种晶体振荡器中，可以通过改变振荡器电路的电路参数等，改变合成到振荡器IC 1中的振荡器电路的工作频率范围。总体上，该系列的IC覆盖的工作频率范围一般从50至700MHz。因此，如果具有位于该范围内的振荡频率的晶体元件2被电气地连接到振荡器IC 1(也就是振荡器电路)，则可以提供振荡频率位于50至700MHz范围内的晶体振荡器。
如果使用上述由Seiko NPC公司制造的CF 5036系列和CF 5037系列的IC来作为振荡器IC 1的话，则在当晶体元件以基波振荡进行工作时可以获得最高700MHz的振荡输出。不过，在三次谐波振荡的情况下，振荡频率被限制到最高250MHz。因此，在三次谐波振荡的情况下无法获得300MHz频段的振荡输出。
通过在基波变化模式下在300MHz频段根据振荡器IC 1(也就是振荡器电路)的标准来操作晶体元件2，可以获得在300MHz频段中的振荡频率。然而，AT切割的石英晶体元件(晶体坯)2的振荡频率与其厚度成反比，并且当晶体元件具有300MHz的基波振荡频率时，晶体元件的厚度为大约5.6μm。在高产的情况下，难以制造出的如此薄的晶体元件。另一方面，当假定可以通过三次谐波振荡来获得300MHz的振荡频率时，可以使用具有大约100MHz的基波振荡频率的晶体坯。这种晶体坯具有大约17μm的厚度，并且容易制造。晶体坯的稳定产量可以得到保障。
发明内容
本发明的一个目标是提出一种能够通过使用振荡IC来产生三次谐波振荡的晶体振荡器，在所述振荡IC中集成了用于晶体元件的基波的振荡电路。
本发明的这一目标可以通过三次谐波晶体振荡器来实现，该晶体振荡器包括：振荡器IC；以及晶体元件，其中振荡器IC包括：用于振荡的晶体管，其发射极接地，偏置电阻器连接在晶体管的集电极和基极之间，并且恒定电流从恒流源提供给位于集电极和偏置电阻器之间的连接点；用于振荡的第一电容器，经由隔直电容器连接到基极并且连接到地电势；以及用于振荡的第二电容器，连接在集电极和地电势之间，其中晶体元件的一端连接到第一电容器的非接地端，而晶体元件的另一端连接到第二电容器的非接地端，其中提供了与第一电容器形成并联谐振电路的电感器，来作为与振荡器IC分离的分立元件，并且其中由第一电容器和电感器所形成的并联谐振电路的并联谐振频率被设置得高于晶体元件的基波的振荡频率并且低于晶体元件的三次谐波的振荡频率。
在这种安排下，由第一电容器和电感器所组成的并联谐振电路的阻抗，在并联谐振频率范围内，从晶体元件的相对端子看来的振荡器电路的阻抗中占主要部分。因此，如果并联谐振频率被设置得高于晶体元件的基波的振荡频率，则在等于或低于基波的振荡频率的频率情况下振荡器电路中不会出现负电阻，并且因此可以抑制基波振荡。进而，由于在等于或高于并联谐振频率的频率情况下振荡器电路中出现负电阻，因此在当并联谐振频率被设置得低于三次谐波的振荡频率时，可以容易地实现与最高负电阻有关的三次谐波振荡。可以容易地获得三次谐波振荡的振荡输出。
附图说明
图1A为根据现有技术的晶体振荡器的电路图；
图1B为图1A所示的晶体振荡器的除去了其盖子的平面图；
图2A为根据本发明的实施例的三次谐波晶体振荡器的电路图；
图2B为图2A所示的晶体振荡器的除去了其盖子的平面图；
图3为负电阻特性图，图例说明了如图2A所示的晶体振荡器的工作原理。
具体实施方式
在示出了根据本发明的一个实施例的三次谐波晶体振荡器的图2A和2B中，与图1A和1B中相同的那些组件被标以相同的标号，并且对那些组件的讲述被简化或省略掉。
如之前所述的，该晶体振荡器包括振荡器IC 1和晶体元件(晶体坯)2，它们被容纳在容器3中。振荡器IC 1工作在基波振荡模式下，并且例如是由Seiko NPC公司所制造的CF5036D1，其工作频率范围为250至400MHz。振荡器IC 1的内部等效电路与图1A中所示的相同。该振荡器IC 1包括并且集成了至少用于振荡的晶体管Tr、恒流源I、用于振荡的第一和第二振荡电容器C1和C2以及隔直电容器Cs。
晶体管Tr的发射极接地并且在集电极和基极之间具有偏置电阻器R。恒流源I被供给有电源电压Vcc并且将恒定电流提供给位于集电极和偏置电阻器R之间的连接点。第一电容器C1的一端经由隔直电容器Cs连接到基极，同时第一电容器的另一端连接到地电势。第二电容器C2连接在集电极和地电势之间。振荡器IC 1提供一对端子XIN、XOUT。端子XIN被连接到第一电容器C1的非接地端，同时端子XOUT被连接到第二电容器C2的非接地端。晶体元件(晶体坯)2的对侧端分别连接到端子XIN、XOUT。
在该实施例中，电感器L与电容器C1并联连接，以形成并联谐振电路。电感器L是与振荡器IC 1分离的分立元件(也就是芯片元件)。电感器L被固定到容器3的凹进的内部底表面上，并且与振荡器IC 1和晶体坯2一起被容纳在凹进中。第一个由电容器C1和电感器L形成的该并联谐振电路的并联谐振频率被设置得高于晶体元件2的基波的振荡频率f1并且低于晶体元件2的三次谐波的振荡频率f3。
在这种安排下，在电感器L被连接到它之前从晶体元件2的对侧端来看的振荡器电路(CF5036D1)具有如图3中的曲线A所示的负电阻特性。这里，假定晶体元件2具有2pF的等效并联电容。也就是说，负电阻区位于大约100MHz的范围中，并且该曲线在120MHz的附近达到最大负电阻(650Ω)并且然后逐渐减少。
在这种情况下，在300MHz频段，例如，在325MHz的频率情况下，负电阻大约为90Ω。在晶体元件2的三次谐波模式下、以325MHz频率振荡的情况下，基波的大约110MHz的频率落入负电阻区域中，并且因此无法有效的抑制基波振荡。另外，位于三次谐波振荡中的晶体元件2的晶体阻抗(CI)为大约50至60Ω，并且因此当负电阻为90Ω时用于振荡的电路余量较低。例如，如果晶体元件2的CI由于老化等原因变得等于或高于90Ω，则三次谐波振荡停止。因此，振荡的长期可靠性较低。
另一方面，根据该实施例，添加了电感器L以形成并联谐振电路，并且并联谐振频率被设置得高于如图3的曲线B所示的基波的振荡频率f1(110MHz)。在这种情况下，并联谐振电路的阻抗，在谐振频率区域中，在从晶体元件2的对侧端看来的振荡器电路的阻抗中占主要部分。因此，如果并联谐振频率fp被设置为例如300MHz，则阻抗在300MHz频率的情况下达到大约300Ω的最大值，并且相应地，负电阻也在300MHz的频率达到最大值(300Ω)。因此，晶体元件2的基波(f1，100MHz)的振荡可靠地受到抑制。在三次谐波模式下的振荡频率(300MHz)处，负电阻大约为200Ω。负电阻(200Ω)大于晶体元件2在三次谐波振荡中的CI(50至60Ω)的三倍。因此，电路余量充裕，并且长期可靠性得到保障。

Claims (2)

1.一种三次谐波晶体振荡器，包括：
振荡器IC；以及
晶体元件，
其中振荡器IC包括：
用于振荡的晶体管，所述晶体管的发射极接地，偏置电阻器连接在所述晶体管的集电极和基极之间，并且恒定电流从恒流源提供给位于所述集电极和所述偏置电阻器之间的连接点；
用于振荡的第一电容器，所述第一电容器经由隔直电容器连接到所述基极并且连接到地电势；以及
用于振荡的第二电容器，所述第二电容器连接在所述集电极和所述地电势之间，
其中所述晶体元件的一端连接到所述第一电容器的非接地端，而所述晶体元件的另一端连接到所述第二电容器的非接地端，
其中提供了与所述第一电容器一起形成并联谐振电路的电感器，来作为与所述振荡器IC分离的分立元件，并且
其中由所述第一电容器和所述电感器所形成的所述并联谐振电路的并联谐振频率被设置得高于所述晶体元件的基波的振荡频率，并且低于所述晶体元件的三次谐波的振荡频率。
2.如权利要求1所述的晶体振荡器，其中晶体元件包括AT切割晶体单元。
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