CN115955196A

CN115955196A - 一种高性能低噪声晶体振荡器电路

Info

Publication number: CN115955196A
Application number: CN202310237799.5A
Authority: CN
Inventors: 田培洪; 徐爽
Original assignee: CHENGDU SHIYUAN FREQUENCY CONTROL TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: CHENGDU SHIYUAN FREQUENCY CONTROL TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2023-03-14
Filing date: 2023-03-14
Publication date: 2023-04-11
Anticipated expiration: 2043-03-14
Also published as: CN115955196B

Abstract

本发明公开了一种高性能低噪声晶体振荡器电路，其目的是获得较宽的频率牵引范围、极低的相位噪声、更高的频率稳定性等技术指标。该电路包括主振激励电路，与主振激励电路相连的晶体谐振器电路，与晶体谐振器电路相连的频率调谐网络，与频率调谐网络相连的射频放大电路，以及与主振激励电路和射频放大电路均相连的选频网络。通过上述设计，本发明在采用一个晶体谐振器的情况下，依然可以获得底部相噪更优的本底相位噪声，近载频段的相噪也有较大改善，可以获得更好的相噪指标，同时可以有更大的压控频率调整范围和频率稳定性，可以提高测试测量设备、通信系统、雷达系统、时间同步系统等电子信息装备的性能。

Description

一种高性能低噪声晶体振荡器电路

技术领域

本发明涉及石英晶体振荡器技术领域，具体地说，是涉及一种高性能低噪声晶体振荡器电路。

背景技术

长期以来，高性能的晶体振荡器频率产生一直是现代信息、时频技术发展的基础，随着科学技术的发展，信息系统对频率源的性能特别是相位噪声等指标提出了越来越高的要求。石英晶体振荡器作为一种优秀的信号发生装置，为仪器仪表、通信设备、导航定位、军用电子信息装备等众多电子设备提供稳定的基准频率信号，其性能指标往往限制了整个电子系统的性能。

现有低相位噪声晶体振荡器一般采用串联谐振电路，在这类电路中，石英晶体谐振器工作于串联谐振模式，可以等效为一个电阻。串联谐振晶体振荡器典型的电路如图1、图2所示的巴特勒电路，图1为射随结构的巴特勒电路，图2为共基组态的巴特勒电路，其中石英晶体谐振器Y100、Y101均工作于串联谐振模式。巴特勒电路具有较低的相位噪声特性和比较稳定的负载-频率稳定性，同时具有较宽的频率调整范围。

专利CN 202713232 U采用了另一种低噪声串联谐振电路，其等效电路如图3所示。其电路结构中采用“π”型移相网络实现180°移相，与晶体管Q200一起构成360°移相，满足振荡所需的相位条件和增益条件。在采用高Q石英晶体谐振器并适当提高谐振器激励功率的情况下，一般可获得优于-175dBc/Hz的本底相位噪声。但更低的相位噪声指标需要更高的激励功率，但又面临高激励功率带来振荡器长期工作频率老化性能变差的风险。专利CN111756332A采用三个晶体谐振器实现的超低相位噪声晶振电路，利用高Q晶体超窄带滤波特性可以获得-185dBc/Hz左右的本底相位噪声。但该电路方案电路复杂，多个昂贵的石英晶体谐振器在产品体积与成本上不具备优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能低噪声晶体振荡器电路，其目的是获得较宽的频率牵引范围、极低的相位噪声、更高的频率稳定性等技术指标。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高性能低噪声晶体振荡器电路，包括主振激励电路，与主振激励电路相连的晶体谐振器电路，与晶体谐振器电路相连的频率调谐网络，与频率调谐网络相连的射频放大电路，以及与主振激励电路和射频放大电路均相连的选频网络。

进一步地，在本发明中，所述主振激励电路由射频晶体管Q400、偏置电阻R400、偏置电阻R401、电阻R402、滤波电容C400、旁路电容C401、电容C402、旁路电容C403、电容C404、电感L400和电感L401组成；所述射频晶体管Q400的基极接偏置电阻R400的一端和偏置电阻R401的一端，并经过旁路电容C401接到地，偏置电阻R400另一端经滤波电容C400后到地，偏置电阻R401的另一端接地；射频晶体管Q400的集电极通过电感L400、电容C404的并联网络连接到电源和滤波电容C400非接地的一端；射频晶体管Q400的发射极通过串联的电感L401和电阻R402接入到地，旁路电容C403与电阻R402并联，电容C402连接在射频晶体管Q400发射极和地之间；同时，射频晶体管Q400的发射极还与晶体谐振器电路相连，射频晶体管Q400的集电极还与选频网络相连。

进一步地，在本发明中，所述晶体谐振器电路由晶体谐振器Y400、中和电感L403和隔直电容C407组成；所述晶体谐振器Y400的一端与射频晶体管Q400的发射极相连，晶体谐振器Y400的另一端经隔直电容C407与频率调谐网络相连，所述中和电感L403并联于晶体谐振器Y400两端。

进一步地，在本发明中，所述频率调谐网络包括由变容二极管D400、变容二极管D401、电阻R403、电阻R405和旁路电容C409组成；所述变容二极管D400、变容二极管D401的正极分别经过电阻R403、电阻R405接地，其负极连在一起并通过串联后的电阻R404、电阻R405连接到外部压控电压EFC，电阻R404、电阻R405公共端通过旁路电容C409接地；变容二极管D400的正极还与隔直电容C407的一端相连；变容二极管D401的正极与射频放大电路相连。

进一步地，在本发明中，所述射频放大电路由射频晶体管Q401、偏置电阻R407、电阻R408、偏置电阻R409、电阻R410、耦合电容C411、电容C412、电容C413、电容C414、电容C415、电容C416、滤波电容C417、电感L405和电感L404组成；所述滤波电容C417的一端连接到电源、另一端接地；所述射频晶体管Q401的发射极经耦合电容C411与变容二极管D401的正极相连，并通过串联后的电感L404、电阻R408接地，电容C414与电阻R408并联接地，电容C413连接在射频晶体管Q401的发射极和地之间；射频晶体管Q401的基极通过电阻R410连接到偏置电阻R409、偏置电阻R407之间并连接到选频网络，偏置电阻R409的另一端连接到电源，偏置电阻R407的另一端接地，电容C412和偏置电阻R407并联；射频晶体管Q401的集电极通过电感L405、电容C415、电容C416组成的LC匹配网络接到电源，在电容C415、电容C416中间抽头，发出射频信号RFOUT。

进一步地，在本发明中，所述选频网络由电感L402、电容C406、电容C405组成，其中，电感L402和电容C406串联后与电容C405并联，电感L402和电容C406串联后一端与射频晶体管Q400的集电极相连，电感L402和电容C406串联后另一端经电阻R410与射频晶体管Q400的基极相连。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明在主振激励电路中晶体管采用交流接地的共基放大器，旁路电容将主振晶体管基极噪声尽可能滤除，降低电路噪声；晶体谐振器在电路中工作在串联谐振频率附近，振荡信号直接由晶体谐振器网络取出，可以从分利用谐振器的高Q（品质因素）窄带滤波特性，实现极低相位噪声的射频信号。

（2）本发明射频放大电路采用射极耦合放大电路，振荡信号由放大晶体管基极反馈回主振晶体管集电极，可以在晶体谐振器网络频率调整（调整变容二极管偏置电压）时，或是输出阻抗发生变化时，稳定振荡回路激励，实现稳定的超低相位噪声指标。亦即本电路在保证极低相位噪声的同时，可以实现较宽的频率压控范围，也可以改善负载对主振电路的影响，提高频率稳定性。

附图说明

图1为现有技术中的射随结构的巴特勒电路原理图。

图2为现有技术中的共基组态的巴特勒电路原理图。

图3为现有技术中的一种低噪声串联谐振电路等效电路原理图。

图4为本发明的电路原理图。

图5为本发明相位噪声预计曲线图。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

如图4所示，本发明公开的一种高性能低噪声晶体振荡器电路，包括主振激励电路，与主振激励电路相连的晶体谐振器电路，与晶体谐振器电路相连的频率调谐网络，与频率调谐网络相连的射频放大电路，以及与主振激励电路和射频放大电路均相连的选频网络。

在本实施例中，所述主振激励电路由射频晶体管Q400、偏置电阻R400、偏置电阻R401、电阻R402、滤波电容C400、旁路电容C401、电容C402、旁路电容C403、电容C404、电感L400和电感L401组成；所述射频晶体管Q400的基极接偏置电阻R400的一端和偏置电阻R401的一端，并经过旁路电容C401接到地，偏置电阻R400另一端经滤波电容C400后到地，偏置电阻R401的另一端接地；射频晶体管Q400的集电极通过电感L400、电容C404的并联网络连接到电源和滤波电容C400非接地的一端；射频晶体管Q400的发射极通过串联的电感L401和电阻R402接入到地，旁路电容C403与电阻R402并联，电容C402连接在射频晶体管Q400发射极和地之间；同时，射频晶体管Q400的发射极还与晶体谐振器电路相连，射频晶体管Q400的集电极还与选频网络相连。

其中，电容C400是主振激励电路的电源滤波电容，射频晶体管Q400由偏置电阻R400、偏置电阻R401、电阻R402和电感L400、电感L401提供直流偏置；旁路电容C401的容值足够大以确保在振荡频率附近呈交流短路；射频晶体管Q400工作在共基放大组态，为振荡电路起振提供增益条件；电感L400为射频晶体管Q400提供直流电压，并与电容C404的并联，其谐振频率略高于振荡频率，在振荡频率附近为感性，等效为电感；选频网络在谐振频率附近呈容性，等效为电容；由电感L400、电容C404、电容C412和选频网络组成的LC谐振网络谐振在振荡频率附近，为电路起振提供相位条件；电容C403为旁路电容，电感L401和电容C402并联谐振在振荡频率附近，在振荡频率处呈高阻抗，在其他不希望的频率处呈低阻抗。当电路同时满足增益条件和相位条件时，电路起振。

在本实施例中，所述晶体谐振器电路由晶体谐振器Y400、中和电感L403和隔直电容C407组成；所述晶体谐振器Y400的一端与射频晶体管Q400的发射极相连，晶体谐振器Y400的另一端经隔直电容C407与频率调谐网络相连，所述中和电感L403并联于晶体谐振器Y400两端。晶体谐振器Y400工作于串联谐振频率附近，在电路中呈纯阻性；电感L403与谐振器并联，并与谐振器静电容并联谐振在晶体谐振器的串联谐振频率处，以抵消晶体谐振器静电容的影响。

在本实施例中，所述频率调谐网络包括由变容二极管D400、变容二极管D401、电阻R403、电阻R405和旁路电容C409组成；所述变容二极管D400、变容二极管D401的正极分别经过电阻R403、电阻R405接地，其负极连在一起并通过串联后的电阻R404、R405连接到外部压控电压EFC，电阻R404、电阻R405公共端通过旁路电容C409接地；变容二极管D400的正极还与隔直电容C407的一端相连；变容二极管D401的正极与射频放大电路相连。晶体振荡器频率压控频率调谐由变容二极管D400和变容二极管D401及其偏置电路实现，两个变容二极管D400、D401正极分别由电阻R403、电阻R406提供零偏置，保证正极在0V的基准电压；其负极连接在一起，串联在射频通路中可尽可能增加电容变化量，扩展频率牵引范围。变容二极管D400、D401均工作于反偏状态，压控电压EFC通过电阻R404、电阻R405送入到变容二极管负极，电阻R404和电容C409构成一个RC滤波器，可以滤除压控端EFC引入的噪声。

在本实施例中，所述射频放大电路由射频晶体管Q401、偏置电阻R407、电阻R408、偏置电阻R409、电阻R410、耦合电容C411、电容C412、电容C413、电容C414、电容C415、电容C416、滤波电容C417、电感L405和电感L404组成；所述滤波电容C417的一端连接到电源、另一端接地；所述射频晶体管Q401的发射极经耦合电容C411与变容二极管D401的正极相连，并通过串联后的电感L404、电阻R408接地，电容C414与电阻R408并联接地，电容C413连接在射频晶体管Q401的发射极和地之间；射频晶体管Q401的基极通过电阻R410连接到偏置电阻R409、偏置电阻R407之间并连接到选频网络，偏置电阻R409的另一端连接到电源，偏置电阻R407的另一端接地，电容C412和偏置电阻R407并联；射频晶体管Q401的集电极通过电感L405、电容C415、C416组成的LC匹配网络接到电源，在电容C415、电容C416中间抽头，发出射频信号RFOUT。

其中，射频晶体管Q401及其外围电路组成的射频放大电路为射极耦合放大电路，电容C417为放大电路电源滤波电容；射频晶体管Q401发射极通过耦合电容C411接收信号，并从集电极匹配网络输出；电感L404和电容C413并联谐振在振荡频率附近，呈高阻；旁路电容C414和电阻R408并联后连接在电感L404和地之间；电感L405为晶体管Q401提供直流通路，并和电容C415、C416构成调谐匹配网络，实现射频信号的阻抗匹配；Q401基极通过电阻R410连接到偏置电阻R407、R409，调整R410的值可以改变激励信号的强弱，方便调整晶体谐振器的激励功率。

在本实施例中，所述选频网络由电感L402、电容C406、电容C405组成，其中，电感L402和电容C406串联后与电容C405并联，电感L402和电容C406串联后一端与射频晶体管Q400的集电极相连，电感L402和电容C406串联后另一端经电阻R410与射频晶体管Q400的基极相连。

本实施例中，主振激励采用共基放大器电路，晶体谐振器在电路中工作与串联谐振模式，射频信号直接从晶体谐振器网络取出，可以获得极低的相位噪声指标；射极耦合放大电路在执行信号放大的同时，也参与振荡信号的反馈，可以在外部负载阻抗变化时、或是变容二极管大容值大范围变化时补偿环路增益，稳定谐振器激励功率，从而稳定输出频率。图5为本发明在输出为100MHz时的相位噪声指标预计，可以看出，本发明在采用一个晶体谐振器的情况下，依然可以获得底部相噪优于-185dBc/Hz的本底相位噪声，近载频段的相噪也有较大改善，可以获得-145dBc/Hz@100Hz的相噪指标，同时可以有更大的压控频率调整范围和频率稳定性，可以提高测试测量设备、通信系统、雷达系统、时间同步系统等电子信息装备的性能。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高性能低噪声晶体振荡器电路，其特征在于，包括主振激励电路，与主振激励电路相连的晶体谐振器电路，与晶体谐振器电路相连的频率调谐网络，与频率调谐网络相连的射频放大电路，以及与主振激励电路和射频放大电路均相连的选频网络。

2.根据权利要求1所述的一种高性能低噪声晶体振荡器电路，其特征在于，所述主振激励电路由射频晶体管Q400、偏置电阻R400、偏置电阻R401、电阻R402、滤波电容C400、旁路电容C401、电容C402、旁路电容C403、电容C404、电感L400和电感L401组成；所述射频晶体管Q400的基极接偏置电阻R400的一端和偏置电阻R401的一端，并经过旁路电容C401接到地，偏置电阻R400另一端经滤波电容C400后到地，偏置电阻R401的另一端接地；射频晶体管Q400的集电极通过电感L400、电容C404的并联网络连接到电源和滤波电容C400非接地的一端；射频晶体管Q400的发射极通过串联的电感L401和电阻R402接入到地，旁路电容C403与电阻R402并联，电容C402连接在射频晶体管Q400发射极和地之间；同时，射频晶体管Q400的发射极还与晶体谐振器电路相连，射频晶体管Q400的集电极还与选频网络相连。

3.根据权利要求2所述的一种高性能低噪声晶体振荡器电路，其特征在于，所述晶体谐振器电路由晶体谐振器Y400、中和电感L403和隔直电容C407组成；所述晶体谐振器Y400的一端与射频晶体管Q400的发射极相连，晶体谐振器Y400的另一端经隔直电容C407与频率调谐网络相连，所述中和电感L403并联于晶体谐振器Y400两端。

4.根据权利要求3所述的一种高性能低噪声晶体振荡器电路，其特征在于，所述频率调谐网络包括由变容二极管D400、变容二极管D401、电阻R403、电阻R405和旁路电容C409组成；所述变容二极管D400、变容二极管D401的正极分别经过电阻R403、电阻R405接地，其负极连在一起并通过串联后的电阻R404、电阻R405连接到外部压控电压EFC，电阻R404、电阻R405公共端通过旁路电容C409接地；变容二极管D400的正极还与隔直电容C407的一端相连；变容二极管D401的正极与射频放大电路相连。

5.根据权利要求4所述的一种高性能低噪声晶体振荡器电路，其特征在于，所述射频放大电路由射频晶体管Q401、偏置电阻R407、电阻R408、偏置电阻R409、电阻R410、耦合电容C411、电容C412、电容C413、电容C414、电容C415、电容C416、滤波电容C417、电感L405和电感L404组成；所述滤波电容C417的一端连接到电源、另一端接地；所述射频晶体管Q401的发射极经耦合电容C411与变容二极管D401的正极相连，并通过串联后的电感L404、电阻R408接地，电容C414与电阻R408并联接地，电容C413连接在射频晶体管Q401的发射极和地之间；射频晶体管Q401的基极通过电阻R410连接到偏置电阻R409、偏置电阻R407之间并连接到选频网络，偏置电阻R409的另一端连接到电源，偏置电阻R407的另一端接地，电容C412和偏置电阻R407并联；射频晶体管Q401的集电极通过电感L405、电容C415、电容C416组成的LC匹配网络接到电源，在电容C415、电容C416中间抽头，发出射频信号RFOUT。

6.根据权利要求5所述的一种高性能低噪声晶体振荡器电路，其特征在于，所述选频网络由电感L402、电容C406、电容C405组成，其中，电感L402和电容C406串联后与电容C405并联，电感L402和电容C406串联后一端与射频晶体管Q400的集电极相连，电感L402和电容C406串联后另一端经电阻R410与射频晶体管Q400的基极相连。