CN1337780A - 高频晶体振荡器 - Google Patents

Abstract

一种高频晶体振荡器,能够不使用乘法放大器而输出例如高于500MHZ频率的信号。这种高频晶体振荡器包括:一个工作在石英晶体元件的基频下的压控Colpitts振荡电路;用于在Colpitts振荡电路的输出中增加谐波成分幅值的装置;一个SAW(表面声波)滤波器,用于从该谐波成分中选择预定次数的成分;以及一个宽带放大器,用于放大SAW滤波器所选的成分。例如,增加谐波成分幅值的装置是一个电阻,用于设置振荡电路中晶体管的工作点以使输出信号失真。

Description

高频晶体振荡器

该发明涉及一个使用石英晶体元件的振荡器，特别是涉及一个使体积缩小的高频晶体振荡器。

近年来，对各种电子设备中可稳定输出几百兆赫兹或更高频率的高频信号的振荡器的需求日益增长。例如，某种类型的数字通信网络要求频率在622.08MHz的信号。由于这种应用需要高频的稳定性，因此尤其需要使用晶体振荡器。为获得高频，通常使用一个低振荡频率的晶体振荡器，并将其输出与一个乘法电路进行频率相乘从而得到所期望的输出频率。在这种情况下，为了获得所需要的频率，可以串联2到3级的乘法电路。压控电路的配置能够通过应用不同的电压来改变振荡器的频率。

图1是一种传统的高频晶体振荡器配置实例的电路图。这种高频振荡器通常包含压控晶体振荡电路1、乘法放大器2、以及宽带放大器3。

晶体振荡电路1中石英晶体元件4作为一个感应元件进行操作，以形成一个由石英晶体元件4和串联电容C1、C2组成的一个共振电路，晶体振荡电路中还包含晶体管5。将共振电路的共振频率信号反馈给晶体管5，晶体管5放大该共振频率信号以振荡晶体振荡电路1。这个电路就是所谓的Colpitts晶体振荡电路。由于电路电容值与串联电容C1、C2的电容值不同，该电路的振荡频率比上述共振电路的共振频率稍低一些。在这里将晶体振荡电路1的振荡频率作为初始频率，并假设其值为155.52MHz。

晶体管5的基极与石英晶体元件4的一端相连，其发射极与串联电容C1、C2的中点(连接节点)相连并通过电阻R5接地，其集电极通过电阻R4与电源Vcc相连。在共振电路中，将一个电压可变的电容元件，例如可变电容二极管6，接在石英晶体元件4的另一端与地之间，从而提供压控共振电路。控制电压Vc通过电阻R1提供一个反向电压输入到可变电容二极管6上进行高频封锁，并控制振荡频率。电阻R2、R3作为晶体管5的栅极偏置电阻。

乘法放大器2是一个用来将来自于晶体振荡电路1的初始频率信号进行频率相乘的电路。乘法放大器2包含一个晶体管8，其发射极接地，集电极与包含电感L与电容C的共振电路7相连。晶体管8的发射极通过并联的发射极电阻R8和旁路电容C6接地。将共振电路7的共振频率设置为初始频率(155.52MHz)的四倍，以获得622.08MHz的输出频率。晶体管8的基极接收来自于晶体振荡电路1的初始频率信号，或通过耦合电容C3接收来自上一级乘法放大器的输出信号。电阻R6、R7作为晶体管8的基极偏置电阻。

应注意到：共振电路7中的电容C是一个微调电容器，以便于共振电路7的调整。作为选择，电感L可以是一个可变电感。如图1所示的乘法放大器2仅为一级，但A级乘法放大器可连接多级，例如三级，用来当波形失真减小时逐渐放大频率信号，并且提供放大量到下一级的输入。

宽带放大器3用作最后一级的放大器，经过耦合电容C4将上一级乘法放大器2的输出频率信号放大到预定的输出水平，并维持其波形不变，然后把放大信号经耦合电容C5输出到一个外部电路，在图中未示出。宽带放大器5是一个输入和输出具有线性特性的线性IC(集成电路)放大器。由于线性IC放大器具有低功耗和高放大特性，所以被用在最后一级。在本例中，电源电压Vcc是3.3V。图2是线性IC的输入/输出特性图。在某一特定输入值之前，输入与输出成比例；在输入超过上述特定值时，输出到达峰值，并不再随输入的变化而变化。

上述的晶体振荡器1、乘法放大器2及宽带放大器3组成一个集成电路并置于一个屏蔽容器内以构成所述高频晶体振荡器。具体来说，如图3所示，将构成晶体振荡器1、乘法放大器2及宽带放大器3的石英晶体元件4、晶体管5和8、各种包括电阻、电容、电感的元件11、以及线性IC放大器安装在电路板10上，电路板10是由例如玻璃结构环氧树脂薄板形成的。在电路板10的表面上设置布线，在图中未示出。将用于外部连接的终端9连接到电路底层10。如上所述的电路板10固定有金属底座并覆有金属覆膜从而得到容纳在屏蔽容器内的高频晶体振荡器。

然而，在所述的传统高频晶体振荡器中，由于晶体振荡电路的初始频率(例如155.52MHz)被多级乘法放大器2放大到预定的输出频率(622.08MHz)，从而使得所使用的如晶体管和无源元件等元件的数量有所增加。此外，为每一个乘法放大器提供的共振电路使用一个微调电容或一个可变电感，这样会导致其体积很大，就不可避免地使电路的总体体积也很大。而且，许多部分都需要进行调整，这会导致生产率降低。随着器件数量的增加，问题出现地更加频繁从而增加了可靠性降低的可能性。

一种减少乘法放大器幅值的可能尝试是在谐波模式对晶体振荡电路中的石英晶体元件进行操作。然而，以谐波模式进行操作时，与石英晶体元件振荡在它的基本频率模式的情况下相比，当石英晶体元件的负载电容改变时，频率变化范围会明显变窄，因此，可能就无法达到所需的频率变化范围。

本发明的目的是提供一种高频晶体振荡器，这种振荡器减少了电路元件的数量以减小体积和重量，并实现高的可靠性。

本发明的另一目的是提供一种不需要调整就能获得高的振荡输出幅值的高频晶体振荡器。

为了实现本发明的目的，高频晶体振荡器包括：一个使用石英晶体元件的振荡电路；用于使振荡电路的输出中的谐波成分增加的装置；一个滤波器，用于选择谐波成分中具有预定次数的成分；以及一个放大器，用于放大滤波器所选择的成分。

在本发明中，所述滤波器采用SAW(表面声波)滤波器更为合适。所述振荡电路采用在石英晶体元件的基本频率工作的Colpitts振荡电路更为合适，以及采用压控振荡电路更为合适。

在本发明中，例如石英晶体元件的基本频率是50MHz-200MHz。基本频率的一个特定实例是155.52MHz。预定次数的谐波可以是谐波次数2-8中的任一个，一个典型的例子是谐波次数4。根据本发明，高频晶体振荡器的输出频率通常在200MHz-2GHz的范围内，在300MHz-1.5GHz的范围较合适，500MHz-1GHz的范围更为合适。

根据本发明，由于不使用乘法放大器就能够获得高频，所以使电路元件的数量减少了，并有可能得到一个体积减小、重量减小、可靠性增加的高频晶体振荡器。另外，由于不需要调整，所以提高了生产率。

图1是一个说明了传统高频晶体振荡器的电路配置的电路图；

图2是一个线性IC放大器的输入输出特性图表；

图3是一个表明传统高频晶体振荡器的配置的透视图；

图4是根据本发明的一个最佳实施例的高频晶体振荡器的配置电路图；

图5是如图4所示的高频晶体振荡器中晶体振荡电路的输出信号的波形图；

图6是如图4所示的高频晶体振荡器中晶体振荡电路的输出信号的频率波谱实例图；

图7是用于输出正弦波的晶体振荡电路的输出信号的频率波谱实例图；

图8是用于描述厚度剪切石英晶体元件的基频振荡偏移的原理图；

图9是用于说明厚度剪切石英晶体元件的序号为3的谐波的振荡偏移原理图；

图10是根据一个改进实施例的高频晶体振荡器的电路图；

图11是根据另一改进实施例的高频晶体振荡器的电路图；

图12是根据又一改进实施例的高频晶体振荡器的电路图；

图13是另一输出调整电路实例的电路图；

图14是又一输出调整电路实例的电路图。

图4给出了根据本发明的一个最佳实施例的高频晶体振荡器，那些与图1-3中元件相同的元件使用了相同的附图标记，在这儿就不再对它们进行赘述。

如图4所示的高频晶体振荡器通常包括：晶体振荡电路1A、与晶体振荡电路1A的输出端相连的SAW(表面声波)滤波器12、以及与SAW(表面声波)滤波器12的输出端相连的宽带放大器3。

晶体振荡电路1A是一个与如图1所示的传统高频晶体振荡器中的晶体振荡电路1相似的电路，是一个把石英晶体元件4作为感应元件、并通过控制电压Vc改变其振荡频率的压控Colpitts振荡电路。石英晶体元件4工作在基本频率模式下而非谐波模式之中。因此，依据石英晶体元件4的基本频率对电容C1、C2的值适当地设置，这是本领域技术人员所公知的。

在晶体振荡电路1A中，对晶体管5的基极偏置电阻R2、R3之间的电阻比值、和集电极负载电阻R4与发射极电阻R5之间的电阻比进行设置，从而使振荡输出信号Vo的中心电压Vc0比电源电压Vcc与地之间的中心电压Vcc0(＝Vcc/2)高。结果如图5所示，通常输出波形应该为正弦波，波峰被削平从而造成波形失真。带有失真波形的大量谐波成分被包含在晶体振荡电路1A的输出信号中。尤其在本实施例中，波峰变平致使输出波形中超出电源电压Vcc的部分被钳位，而波谷则并未被削平。因此，波形沿纵向不对称，且输出信号不仅包含奇数阶谐波也包含大量的偶数阶谐波。

图6是晶体振荡电路1A的输出信号的频率波谱实例图，图中横轴表示频率，纵轴表示振荡级别。假定基本振荡频率为f1，第2级～第n级谐波的频率分别为f2～fn。在所示的实例中，随着谐波次数的增加，谐波成分f2～fn比基频f1而言，幅值逐渐减少，但这些值仍然很高。例如，第四级谐波f4的振荡幅值是基本频率的70％或更高。通常奇数阶谐波的幅值比偶数阶谐波的幅值高，但偶数阶谐波的幅值仍很高。相反，当将传统高频晶体振荡器中的晶体振荡电路设置以持续输出一个正弦波时，它的输出信号的频率波谱图如图7所示，其中谐波f2～fn的幅值是基本频率f1的10％或更低。

将这种来自晶体振荡电路1A、包含大量谐波成分的输出信号送到SAW滤波器12。SAW滤波器12通过在压电基片表面形成用于输入/输出的叉指型电极来进行配置，图中未显示，它用作一个带通滤波器，只选择晶体振荡电路1A提供的信号中的特定次数的谐波，并将其输出到下一级的宽带放大器3上。宽带放大器3放大某一频率范围例如100MHz～2000MHz内的信号，并包含一个前述的由单块电路IC构成的线性IC放大器。

在图示的高频晶体振荡器中，晶体振荡电路1A中的石英晶体元件4工作在基本频率模式下，振荡频率为155.52MHz。结果，晶体振荡电路1A输出一个含有大量谐波成分的信号，SAW滤波器12只选择第4阶谐波f4(622.08MHz)并将其输出到宽带放大器3上。严格来说，SAW滤波器12的通频带特性造成以第4阶谐波f4为中心、频率范围为f4±Δf的信号输出，但在这个频率范围中第4阶谐波f4的幅值相当高。最后，利用宽带放大器3的线性输入/输出特性来放大第4阶谐波f4，将其作为高频晶体振荡器的振荡输出。

在高频晶体振荡器中，由于初始频率不再进行频率相乘而是使用包含在初始频率中的谐波成分，因此就没有必要使用多级乘法放大器。高频晶体振荡器基本上由三个组件共同构成，即：压控晶体振荡电路1A、SAW滤波器12和宽带放大器(线性IC放大器)3。因此，根据该配置，并与利用频率乘法的情况相比，由于高频晶体振荡器不使用构成多级乘法放大器的晶体管或电阻、和在每级乘法放大器的共振电路中不使用电容或电感，因此能够大幅度地减小其尺寸。传统高频晶体振荡器的尺寸大约是20(长)×20(宽)×10(高)mm，而依据该实施例的尺寸可减小到大约10×10×5mm，相应地其面积约是原来的1/4，体积约是原来的1/8。另外，由于电路元件数量大幅度减少，所以使高频晶体振荡器的可靠性增强。由于晶体振荡器中没有需要调整的部分，例如乘法放大器中的调谐电路，所以提高了生产率。

在高频晶体振荡器中，石英晶体元件4工作在基本模式下。对石英晶体元件4来说，采用厚度剪切振动AT切割石英晶体元件更为合适。众所周知，厚度剪切石英晶体元件的共振频率与石英坯料的厚度t成反比例。当石英晶体元件以基本频率振荡时，如图8所示，以夸张的方式显示石英坯料的厚度，石英坯料的前和后表面B上的振荡偏移H最大，在前和后表面上振荡偏移的方向彼此相反。与此对比，如图9所示，次数为3的谐波的振荡偏移H分别在平面b上最大，该平面b在厚度方向上将石英坯料分为平行于石英坯料表面B的3层。由于影响振荡的实际厚度减少到基本频率时厚度的1/3，所以共振频率相应地高达基本频率的3倍。

由于高频晶体振荡器在基本模式下对石英晶体元件4进行操作，因此与在谐波模式下进行操作相比，压控振荡电路就有可能获得一个较宽的频率变化范围。

对本发明典型实施例中的高频晶体振荡器进行了阐述，本发明中也可能存在另外的修改实施例。

在晶体振荡电路1A中，振荡信号可能由晶体管5的发射极而非集电极输出。在这种情况下，如图10所示，可能将晶体管5的发射极电阻分为R5a、R5b，电阻R5a、R5b的连接点D与电容C1、C2的中点相连，从连接点D输出一个信号到SAW滤波器12。集电极没有电阻。在这种情况下，通过设置电阻R2、R2之间的电阻比率、和电阻R5a、R5b之间的电阻比率使振荡输出失真。

另外，在如图4或图10的电路中，正弦波的波谷而不是波峰被削平从而引起振荡信号失真。

由于最后一级的宽带放大器3仅仅放大特定的谐波成分，因此可以用窄带放大器来代替宽带放大器3。

图11显示了依据本发明另一修改实施例的高频晶体振荡器。对如图4和图10所示的高频晶体振荡器的晶体振荡电路1A中用于振荡的晶体管5的工作点进行如此设置，会引起振荡波形失真。然而，在图11所示的晶体振荡电路中，使用与现有技术相似的、设置输出一个正弦波的晶体振荡电路1作为晶体振荡电路，然后将具体振荡电路的输出输入到工作在饱和区的宽带放大器3。因为宽带放大器3工作在饱和区，所以基频成分不能被明显地放大，而幅值低于基频成分的谐波成分能够得到高增益放大。因此，来自宽带放大器3的输出包含高幅值的谐波成分，并将其传送至SAW滤波器12由它仅仅选择预定次数的谐波成分。所选择的谐波由工作在线性区的宽带放大器3B放大到预定级别。在图11所示的高频晶体振荡器中，没有使用乘法放大器，而是用SAW滤波器提取期望的谐波成分。因此，就可能大量减少电路元件的数量以实现减小尺寸并提高可靠性。

另外，可在本发明的高频晶体振荡器的晶体管集电极上连接一个用于振荡的输出调谐电路。图12显示出一个这种高频晶体振荡器的例子。高频晶体振荡器通常包含晶体振荡电路1B、SAW滤波器2和宽带放大器3，与图4所示的高频晶体振荡器相类似。晶体振荡电路1B是一个使用AT切割石英晶体元件4的Colpitts振荡电路，与图4中所示的晶体振荡电路1A相似，与图4所示电路的区别在于：在晶体管5的集电极与电源Vcc之间接入的是一个预定电感的线圈L，而不是一个集电极电阻。与图4所示的电路不同，不需要将晶体管5的工作点设置用来有意地产生一个失真输出信号，这将在稍后进行描述。例如，晶体振荡电路的基本频率大约是150MHz，155.52MHz是一个特例。

晶体管5的集电极通过串联的电容C11、C12接地，并且在电容C11、C12的串联连接点通过一个电容C13连接到SAW滤波器12的一个输入端。在这个例子中，LC调谐电路由串联在一起的电容C3、C4及线圈L1组成，将该调谐电路的调谐频率设置为石英晶体元件4输出信号的所期望次数的谐波的频率。例如，将上述调谐频率设置为第四阶谐波的频率，假设石英晶体元件4的基本频率大约是150MHz的情况下，它接近于600MHz。此外，电容C13提供一个电容接合点，依据电容C11、C12之间的电容比值使得电容C11、C12的串联连接点的输出阻抗和下一级的SAW滤波器12的输入阻抗相匹配。电源Vcc与地之间的电容C7是一个用来消除噪声或波动的旁路电容，它对上述LC调谐电路的调谐频率没有影响。

将LC调谐电路调谐到一个谐波时，设置一个电路常量以产生Colpitts振荡电路的基频。特别地，通过把电容C1、C2设为适当的电容值对石英晶体元件4进行操作以提供基频，特别是在石英晶体元件4具有相同电感成分时，使元件与谐波模式下的元件相比具有较大的电容值。

SAW滤波器12的一个滤波特性是：只允许晶体振荡电路1B的振荡输出中的预定谐波成分通过，例如次数为4、大约600MHz的谐波成分，类似于如图4或图10所示的电路。例如，它仅仅允许622.08MHz的频率成分通过。通过SAW滤波器12的信号经宽带放大器3放大到预定的输出幅值，并经耦合电容C6输出。

在如图12所示电路中，首先通过Colpitts晶体振荡电路1B，然后SAW滤波器12从晶体振荡电路1B的振荡输出中选择性地获得一个期望的谐波，并具有与该谐波频率相对应的特性，最后放大器3将SAW滤波器12的输出放大，从而获得一个频率高于500MHz的稳定振荡信号。由于电路具有用来调谐得到一个所期望次数的谐波的输出调谐电路，因此就不需要设置晶体振荡电路1B中的晶体管5的操作点以故意地使信号失真，并象在普通振荡电路中那样设置操作点以输出一个正弦波。

在谐波振荡电路或乘法放大器中，由于晶体管的工作状态依据输出调谐电路的调谐频率进行改变，所以在输出调谐电路中要求精确的调整。然而，上述晶体振荡电路1B是一个不需要调整的Colpitts基本振荡电路，作为一个振荡电路其中的输出LC调谐电路不影响振荡操作。因此，如果调谐频率大约为600Mhz，它就能够用来作为一个不需要通过选定适当的电路常量来进行调整的LC调谐电路。

在诸如SAW滤波器的高性能滤波器中，更好的是使输入和输出之间的阻抗可靠地匹配从而获得所期望的滤波特性。根据上述电路，由于能够通过电容接合点进行阻抗匹配，因此能够实现为一个大约50欧的低输入阻抗进行可靠的匹配，并且不要求对每个元件进行逐个调整。

由于如图12所示的振荡电路工作在基本频率下，因此能够获得一个足够的频率变化范围。另外，它操作时几乎不需要调整，由于装配容易因此适于大规模生产，并且能减小体积和缩减成本。

输出调谐电路的结构不局限于图12所示的结构。例如，如图13所示，在晶体管5的集电极与电源Vcc之间插入线圈L1，并插入串联的电容C14、C15从而构成一个调谐电路。从电容C14、C15的串联连接点经电容过C13提供振荡输出信号给SAW滤波器12。

作为选择，如图14所示，输出调谐电路由一个包含线圈L1和电容C16的并联共振电路构成，并且由晶体管5的集电极经电容C13提供振荡输出信号给SAW滤波器12。

已经就本发明的高频晶体振荡器的几个最佳实施例作为压控振荡器的例子进行了描述，不言而喻本发明也适用于非压控型的普通晶体振荡器。

Claims (17)

1.一种高频晶体振荡器包括：

一个使用了石英晶体元件的振荡电路；

用于在所述振荡电流的输出中增加谐波成分幅值的装置；

一个用于从所述谐波成分中选择预定次数的成分的滤波器；

一个用于放大所述滤波器所选择的成分的放大器。

2.如权利要求1所述的高频晶体振荡器，其特征在于：所述的滤波器为SAW(表面声波)滤波器。

3.如权利要求2所述的高频晶体振荡器，其特征在于：所述的振荡电路为Colpitts振荡电路。

4.如权利要求3所述的高频晶体振荡器，其特征在于：所述的振荡电路工作在所述石英晶体元件的基本频率下。

5.如权利要求4所述的高频晶体振荡器，其特征在于：所述的石英晶体元件为一个AT切割石英晶体元件。

6.如权利要求4所述的高频晶体振荡器，进一步包括一个用于提供所述振荡电路的可变振荡频率的电压可变电容元件。

7.如权利要求6所述的高频晶体振荡器，其特征在于：所述的电压可变电容元件为一个可变电容二极管。

8.如权利要求6所述的高频晶体振荡器，其特征在于：所述的振荡电路包括一个晶体管，并且所述的增加装置是一个用于设置所述晶体管工作点的电阻。

9.如权利要求8所述的高频晶体振荡器，其特征在于：所述的SAW滤波器选择次数为4的谐波。

10.如权利要求9所述的高频晶体振荡器，其特征在于：所述的次数为4的谐波为622.08MHz。

11.如权利要求6所述的高频晶体振荡器，其特征在于：所述的增加装置是一个用于接收所述振荡电路的一个振荡输出作为输入，并工作于饱和区的宽带放大器。

12.如权利要求11所述的高频晶体振荡器，其特征在于：所述的SAW滤波器选择次数为4的谐波。

13.如权利要求12所述的高频晶体振荡器，其特征在于：所述的次数为4的谐波为622.08MHz。

14.如权利要求6所述的高频晶体振荡器，其特征在于：所述的振荡电路包括一个晶体管，并且所述的增加装置是一个输出调谐电路，与所述晶体管相连接并调谐到所述预定次数的谐波。

15.如权利要求14所述的高频晶体振荡器，其特征在于：所述的输出调谐电路是一个与所述晶体管的集电极相连接、具有电容接合点的LC调谐电路，从所述的电容接合点为所述SAW滤波器提供一个振荡输出与所述SAW滤波器的输入阻抗相匹配

16.如权利要求15所述的高频晶体振荡器，其特征在于：所述的SAW滤波器选择次数为4的谐波。

17.如权利要求16所述的高频晶体振荡器，其特征在于：所述的次数为4的谐波为622.08MHz。

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