CN113037217B - 一种工作在超低相位噪声的10mhz晶体振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工作在超低相位噪声的10MHZ晶体振荡器，包括差分放大器、寄生谐振抑制滤波器、电压调谐移相器和晶体谐振器；所述差分放大器的输出口与寄生谐振抑制滤波器的输入口连接，寄生谐振抑制滤波器的输出口与电压调谐移相器的输入口连接，电压调谐移相器的输出口连接晶体谐振器一端，晶体谐振器另一端连接差分放大器的输入口。本发明能够确保良好的对称性、低噪声以及最佳的噪声匹配；通过寄生谐振抑制滤波器滤除10MHz以外的谐波信号，最大程度的减小损耗；利用电压调谐移相器准确计算出相位噪声的变化，实现具有超低相位噪声的晶体振荡器的起振。

Description

一种工作在超低相位噪声的10MHZ晶体振荡器
技术领域
本发明属于模拟技术，具体涉及一种工作在超低相位噪声的10MHZ晶体振荡器。
背景技术
振荡器经常被用作频率源为电子系统提供信号，有“电子设备的心脏”之称是时频检测与控制领域中最常用的基础元器件之一。随着无线电技术发展迅猛,在导航与雷达、卫星跟踪、宇宙通讯、导弹制导以及时间与频率计量等领域中应用广泛,无线电技术为频率要求较高的电子设备提供精密频率标准和时间基准，但其对频率源的稳定度要求越来越高。振荡器的主要技术指标包括:频率准确度、频率稳定度、负载特性、电压特性、开机特性、谐波、杂波、频率温度稳定度和功耗等。相位噪声越低就说明振荡器的输出信号频谱更加纯净,相位失真和抖动更小,即是可以提供更加精确的信号,信号的频谱纯度对于通信系统中接收机或发射机都是至关重要的。因此，研究在晶体振荡器的设计过程中如何将相位噪声降到最低，对提高晶体振荡器的性能具有十分重要的意义。
目前大多数设计中采用固定电流偏置，以保证晶体串联电阻在最大情况仍能振荡并保留一定的余力，这样做虽然能得到较短的起振时间，但是会增加电路的功耗，由于gm远大于临界值，虽然降低了相位噪声的性能，但是振荡器的输出会出现严重的失真。另一种结构是采用幅度控制电路主振荡电路的偏置电流，起振后，通过检测输出信号振幅，将偏置电流限制在满足振荡条件的临界值附近，减少了由于晶体管非线性引起的相位噪声和石英晶体过驱动引起的谐波失真，但是会严重增加起振时间和电路整体功耗，同时该结构的电路设计中用到了大量的电容和电感，这大大增加了芯片的面积和成本。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种具有超低相位噪声，降低电路整体损耗，同时，减少了芯片的面积和成本的工作在超低相位噪声的10MHZ晶体振荡器。
技术方案：本发明包括差分放大器、寄生谐振抑制滤波器、电压调谐移相器和晶体谐振器；所述差分放大器的输出口与寄生谐振抑制滤波器的输入口连接，寄生谐振抑制滤波器的输出口与电压调谐移相器的输入口连接，电压调谐移相器的输出口连接晶体谐振器一端，晶体谐振器另一端连接差分放大器的输入口。
所述差分放大器包括阻抗变压器、第一NPN型晶体管V1、第二NPN型晶体管V2；所述第一NPN型晶体管V1的基极连接阻抗变压器的上端口T3；所述第一NPN型晶体管V1的集电极分别连接电容C1和电阻R1；所述第一NPN型晶体管V1的发射极分别与第二NPN型晶体管V2的发射极和电阻R3连接。
所述第二NPN型晶体管V2的基极连接阻抗变压器的下端口T5；所述第二NPN型晶体管V2的集电极分别连接电容C2和电阻R2；所述第二NPN型晶体管V2的发射极分别与第一NPN型晶体管V1的发射极和电阻R3连接。
所述寄生谐振抑制滤波器包括电容C3、电容C4和电感L1，其中，电容C3和电感L1串联连接之后再与电容C4并联连接。
所述电压谐振移相器的输入端口分别与变容二极管D2正极、变容二极管D4正极、电容C6上极板、电感L4一端以及寄生谐振抑制滤波器的输出端口相连接；所述变容二极管D1、变容二极管D2、变容二极管D3、变容二极管D4的负极与电感L3一端、电容C5下极板、电容C6下极板相连接；所述电容C5的上极板、电感L2一端、变容二极管D1、变容二极管D3的正极与电压谐振移相器的输出端口相连接。
所述电感L3另一端分别与变容二极管偏置以及电感C7一端相连接；所述电感L2、电感L4、电容C7另一端接地。
所述电压调谐移相器的输出口分别与变容二极管D1、变容二极管D3的正极、电容C5的上极板、电感L2一端以及晶体谐振器的一端相连接。
有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：由差分放大器中的低噪声超匹配的晶体管以及1：16阻抗变压器差分驱动放大器，以确保了良好的对称性、低噪声以及最佳的噪声匹配，其次通过寄生谐振抑制滤波器滤除10MHz以外的谐振，并实现最大程度的保证了有用的谐振损耗被保持为最小的同时还为振荡器提供正确的开环增益，最终再经过由偏置变容二极管和固定电容器组成的电压调谐移相器，以此能够准确的计算出相位噪声的变化，最终驱动实现具有超低相位噪声的晶体振荡器的起振。
附图说明
图1为本发明的主体框图；
图2为图1中差分放大器的电路结构示意图；
图3为图1中寄生谐振抑制滤波器的电路结构示意图；
图4为图1中电压调谐移相器的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明做进一步详细描述。
如图1所示，本发明包括差分放大器、寄生谐振抑制滤波器、电压调谐移相器和晶体谐振器。差分放大器的输出口O/P与寄生谐振抑制滤波器的输入口I/P连接，寄生谐振抑制滤波器的输出口O/P与电压调谐移相器的输入口I/P连接，电压调谐移相器的输出口O/P连接晶体谐振器一端，晶体谐振器另一端连接差分放大器的输入口I/P。
如图2所示，差分放大器包括1:16阻抗变压器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、可变电阻R4、电容C1、电容C2、第一NPN型晶体管V1、第二NPN型晶体管V2，以及电源VDD和VSS。其中，差分放大器的输入端口I/P分别与阻抗变压器的左端口T1以及晶体谐振器的一端相连接。第一NPN型晶体管V1的基极连接阻抗变压器的上端口T3；第一NPN型晶体管V1的集电极分别连接电容C1的下极板和电阻R1的一端；第一NPN型晶体管V1的发射极分别与第二NPN型晶体管V2的发射极和电阻R3连接。第二NPN型晶体管V2的基极连接阻抗变压器的下端口T5；第二NPN型晶体管V2的集电极分别连接电容C2的下极板和电阻R2的一端；第二NPN型晶体管V2的发射极分别与第一NPN型晶体管V1的发射极和电阻R3连接。电阻R1和电阻R2连接同一个电源VDD；电阻R3连接可变电阻R4的一端；可变电阻R4的另一端与电源VSS相连接；变阻器的左端口T2以及T4端口都接地。差分放大器的输出端口O/P1与电容C1的上极板相连接；差分放大器的输出端口O/P2分别与电容C2的上极板和寄生谐振抑制滤波器的输入端口I/P相连接。
如图3所示，寄生谐振抑制滤波器包括电容C3、电容C4和电感L1，其中，电容C3和电感L1串联连接之后再与电容C4并联连接。寄生谐振抑制滤波器的输入端口I/P分别与电容C3和电容C4的上极板相连接，寄生谐振抑制滤波器的输出端口O/P分别连接电感L1、电容C4的下极板和电压调谐移相器的输入端口I/P。
如图4所示，电压调谐移相器包括电感L2、电感L3、电感L4、电容C5、电容C6、电容C7、变容二极管D1、D2、D3、D4。电压谐振移相器的输入端口I/P分别与变容二极管D2正极、变容二极管D4正极、电容C6上极板、电感L4一端以及寄生谐振抑制滤波器的输出端口O/P相连接。变容二极管D1、变容二极管D2、变容二极管D3、变容二极管D4的负极与电感L3一端、电容C5下极板、电容C6下极板相连接；电容C5的上极板、电感L2一端、变容二极管D1、变容二极管D3的正极与电压谐振移相器的输出端口O/P相连接。电感L3的另一端分别与变容二极管偏置以及电感C7的一端相连接；电感L2、电感L4、电容C7的另一端接地。电压调谐移相器的输出口O/P分别与变容二极管D1、变容二极管D3的正极、电容C5的上极板、电感L2一端以及晶体谐振器的一端相连接。

Claims (4)

1.一种工作在超低相位噪声的10MHZ晶体振荡器，其特征在于：包括差分放大器、寄生谐振抑制滤波器、电压调谐移相器和晶体谐振器；所述差分放大器的输出口与寄生谐振抑制滤波器的输入口连接，寄生谐振抑制滤波器的输出口与电压调谐移相器的输入口连接，电压调谐移相器的输出口连接晶体谐振器一端，晶体谐振器另一端连接差分放大器的输入口；
所述电压调谐移相器的输入端口分别与变容二极管D2正极、变容二极管D4正极、电容C6上极板、电感L4一端以及寄生谐振抑制滤波器的输出端口相连接；
所述电压调谐移相器的输出口分别与变容二极管D1、变容二极管D3的正极、电容C5的上极板、电感L2一端以及晶体谐振器的一端相连接；
所述变容二极管D1、变容二极管D2、变容二极管D3、变容二极管D4的负极与电感L3一端、电容C5下极板、电容C6下极板相连接；所述电容C5的上极板、电感L2一端、变容二极管D1、变容二极管D3的正极与电压谐振移相器的输出端口相连接；
所述电感L3另一端分别与变容二极管偏置以及电感C7一端相连接；所述电感L2、电感L4、电容C7另一端接地。
2.根据权利要求1所述工作在超低相位噪声的10MHZ晶体振荡器，其特征在于：所述差分放大器包括阻抗变压器、第一NPN型晶体管V1、第二NPN型晶体管V2；所述第一NPN型晶体管V1的基极连接阻抗变压器的上端口T3；所述第一NPN型晶体管V1的集电极分别连接电容C1和电阻R1；所述第一NPN型晶体管V1的发射极分别与第二NPN型晶体管V2的发射极和电阻R3连接。
3.根据权利要求2所述工作在超低相位噪声的10MHZ晶体振荡器，其特征在于：所述第二NPN型晶体管V2的基极连接阻抗变压器的下端口T5；所述第二NPN型晶体管V2的集电极分别连接电容C2和电阻R2；所述第二NPN型晶体管V2的发射极分别与第一NPN型晶体管V1的发射极和电阻R3连接。
4.根据权利要求1所述工作在超低相位噪声的10MHZ晶体振荡器，其特征在于：所述寄生谐振抑制滤波器包括电容C3、电容C4和电感L1，其中，电容C3和电感L1串联连接之后再与电容C4并联连接。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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