SAW LC振蕩器原理分析

SAW LC振蕩器原理分析

1. LC正弦波振蕩器的基本結(jié)構(gòu)：

LC正弦波振蕩器是通信電路中很常見的電子線路，它輸出具有固定幅值、頻率和相位的正弦波，一般作為通信用載波或混頻用信號，有多種結(jié)構(gòu)形式。

常用的正弦波振蕩器一般為反饋振蕩器，由一個放大器和一個反饋網(wǎng)絡(luò)組成，為維持振蕩要具備所謂奈奎斯特標(biāo)準(zhǔn)（Nyquist‘s criteria）：

a） 由反饋網(wǎng)絡(luò)和放大器組成的環(huán)路的增益在振蕩頻率處必須大于或等于1。

b） 在振蕩頻率處反饋信號必須與輸入信號同相，即為正反饋。同相一般是由信號相移360度得到，其中180度相移來自放大器的反相，另180度相移則來自選頻反饋網(wǎng)絡(luò)。

在RF使用時，一般使用LC選頻反饋網(wǎng)絡(luò)（低頻則主要用RC選頻反饋網(wǎng)絡(luò)），依據(jù)反饋網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，LC正弦波振蕩器主要有Armstrong、Hartley、Colpitts/Clapp等3種基本類型，可以通過觀察反饋網(wǎng)絡(luò)來區(qū)分。

Hartley振蕩器國內(nèi)常稱為電感三點式振蕩器，標(biāo)志是采用了帶抽頭的電感分壓器，一般是用兩個電感，常用于RF的低端，因為高頻時線繞電感會呈現(xiàn)容性，破壞起振條件。

Colpitts振蕩器國內(nèi)常稱為電容三點式振蕩器，采用電容分壓器提供反饋，只用一個電感而用兩個電容分壓，使用頻率可達(dá)微波（米波）的低端，結(jié)構(gòu)簡單，使用普遍。

Clapp振蕩器是一種改進(jìn)的電容三點式振蕩器，也采用電容分壓器提供反饋，但L支路串聯(lián)了一個小電容C3，可通過調(diào)整C3改變振蕩頻率，而不會影響反饋分壓比，常用于可變頻率場合。

2. 石英晶體諧振器：

使用LC回路的正弦波振蕩器，其振蕩頻率由元件值決定，但元件值會因外部的溫度等因素而改變，從而造成頻率的漂移。為保持振蕩器的頻率穩(wěn)定，最常用的辦法就是使用晶體穩(wěn)頻。

最常用的晶體材料是石英，是Si的氧化物的單晶，具有壓電效應(yīng)，即加上電壓可使其表面產(chǎn)生位移，也可因位移而產(chǎn)生電壓。把石英制成薄片，并在兩面接電極，就組成石英晶體諧振器，它具有固有的機(jī)械諧振頻率，且Q值高達(dá)10000以上，這種頻率與晶體厚度和切割方向等因素有關(guān)，而受溫度影響很小。

石英晶體諧振器，最低可工作在1kHz，常用在0.6到20MHz范圍內(nèi)，這是指基本頻率（基頻），頻率再高則因晶片太薄而易碎。在更高頻率應(yīng)用時，都取基頻的奇次諧波，稱為泛音（over tone），9次泛音的晶體工作頻率可達(dá)200MHz，已到極限，但實用一般多為3次、5次泛音晶體。

石英晶體的常用等效電路：

其中：Cp為晶片2端電極與石英介質(zhì)組成的電容，一般在3--8p之間，是一個靜態(tài)參數(shù)

Ls與Cs諧振于晶體的串聯(lián)諧振頻率，Rs為與損耗有關(guān)的電阻，這三者為動態(tài)參數(shù)

正規(guī)廠商資料都提供石英晶體諧振器的等效電路參數(shù)值，圖中提供的是典型值。

3. 晶體穩(wěn)頻的正弦波振蕩器的主要形式：

3.1 Pierce晶體振蕩器：是一種適用晶體較廣的串聯(lián)諧振模式。

3.2 串聯(lián)模式振蕩器：是源于LC振蕩器的形式，此時晶體工作于串聯(lián)諧振頻率，在此頻率點晶體相當(dāng)于小電阻，所以可以用較大電容與小電阻代替晶體接入電路來調(diào)試，這時電路仍工作于諧振頻率點附近。

3.3 并聯(lián)模式振蕩器：也是源于LC振蕩器，工作頻率實際介于串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率之間，更接近于并聯(lián)諧振頻率，此時晶體呈現(xiàn)的阻抗為感抗，可看作電感來分析電路。這種電路需要較高的輸入阻抗，所以常用FET作為有源元件。

4. 聲表面波器件SAW：

石英晶體諧振器的最高工作頻率只能到200MHz，要想在更高的頻率工作，就要用復(fù)雜的PLL電路，也可以使用廉價的聲表面波器件SAW（Surface Acoustic Wave）。

SAW器件的基材也要有壓電效應(yīng)特性，一般用ST切割石英、鋰鉭或鋰鈮陶瓷、砷化鎵等。當(dāng)電信號通過電極加到基材上，因壓電效應(yīng)而產(chǎn)生機(jī)械振動聲波，聲波在基材表面?zhèn)鞑?，在附近電極處因壓電效應(yīng)又轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗤碾娦盘枴AW器件有諧振器、濾波器、雙工器、解調(diào)器等多種用途，與相應(yīng)的石英晶體器件的某些特性近似，但是插入損耗明顯較大，這里主要介紹諧振器。

目前能生產(chǎn)SAW器件的主要是國外廠商，如EPCOS（愛普科斯）、MURATA（日本村田）、RF Monolithics、Epson、Kyocera（AVX） 等，***、香港和內(nèi)地的一些廠商也在仿制國外的一些系列，比如德鍵（TOKEN）、佳朗（Caltron Devices）、惠貽華普（Hope Microelectronics）、好達(dá)（Shoulder Electronics）、魯光（LUGUANG）、華晶達(dá)等，諧振器是其中仿制較多的。

單端口SAW諧振器的等效電路：

其中：Lm與Cm諧振于SAW的串聯(lián)諧振頻率，Rm為與損耗有關(guān)的電阻，這三者為動態(tài)參數(shù)

Co為SAW兩端電極間的靜態(tài)電容，一般Cg1=Cg2=0.5p，Co=Cp+Cg/2

無負(fù)載Q值一般在10000以上，50歐姆負(fù)載下Q值一般也能到2000。常見的433.92MHz的等效電路參數(shù)為：

雙端口SAW諧振器的等效電路：

常見的雙端口SAW諧振器的等效電路參數(shù)為：

5. 使用單端口SAW諧振器的正弦波振蕩器分析：用于600MHz以下

電路結(jié)構(gòu)明顯類似晶體穩(wěn)頻的Colpitts振蕩器，可以用反饋振蕩器的分析方法，這里給出的是另一種分析法--負(fù)阻分析法。

用參考面把電路分為無源部分和有源部分，有源部分的阻抗為Re{Zia}+jIm{Zia}，無源部分阻抗為Re{Zip}+jIm{Zip}

起振條件：Re{Zia}+Re{Zip}《0

Im{Zia}+Im{Zip}=0

這樣Re{Zia}必須為負(fù)，所以稱為負(fù)阻振蕩器，SAW要工作于串聯(lián)諧振頻率上。

計算得到的振蕩頻率fp如圖示，實際頻率比計算頻率略低。

其中：L一般阻抗為j60 Ohm（當(dāng)使用環(huán)形天線時約為j90～j100）

反饋系數(shù)C1/C2選取3～6

耦合電容Cb約47p～220pF

選用的三極管的截止頻率ft要至少為3到5倍振蕩頻率，大些易于起振

6. 實用的433MHz振蕩器：

433.92MHz的是無線遙控方面經(jīng)常要使用的ISM頻段，特別是用于汽車鎖。查SAW諧振器的資料，上面一般都提供了典型應(yīng)用電路，但更多是理論電路，EPCOS公司的資料提供了較實用的應(yīng)用電路：

這種電路在ASK（OOK）應(yīng)用時，最大調(diào)制率可到2.5kHz（5kb/s NRZ），振蕩器瞬態(tài)時間30us，在3.6V電源電壓時電流為3.5mA。圖中三極管型號為歐洲型號，不太容易尋到，也可選擇參數(shù)接近的日本型號的三極管，國內(nèi)較多。

其中C1、C2、C6、L1、天線L3決定振蕩頻率，L2、C6為諧波抑制和天線匹配使用。我曾實際使用并調(diào)試過此種結(jié)構(gòu)電路，遙控距離超15米，在諧波抑制方面有良好特性，而且所用元件少，調(diào)試得當(dāng)則很容易達(dá)到FCC PART15要求的諧波低于基頻20dB的要求。

433.92MHz的無線遙控一般使用PCB天線，簡單、廉價而且堅固耐用，但因為PCB面積往往受限，常常需要選擇特別的PCB天線形式，這就需要根據(jù)實際來適當(dāng)調(diào)整元件值。調(diào)試是很花時間和精力的工作，特別是在RF應(yīng)用時，因為分布參數(shù)的影響，PCB布局會影響電路工作狀態(tài)，器件值也就需要做相應(yīng)改變。

調(diào)試時，一般是先用47歐姆電阻來代替SAW，測試電路的自由振蕩頻率，然后調(diào)整元件值使頻率盡量接近SAW的諧振頻率，當(dāng)一切參數(shù)測試好以后焊回SAW就能正常工作。這種技巧很重要，不然就無法知道怎樣調(diào)整元器件值，只能撞大運。

7. 使用雙端口SAW諧振器的振蕩器：用于500MHz～1GHz

電路結(jié)構(gòu)類似晶體的Pierce振蕩器，工作于串聯(lián)諧振頻率。框圖：

起振條件：增益 G=“a”+b》1

相位 P=“P1”+P2+P3+P4=nX360度

電路圖：

SAW內(nèi)部電容也是Cp1和Cp3的一部分，依靠PCB可去掉一部分電容。

仿真時使用三極管的S參數(shù)和SAW的等效電路（最好使用L、C、R的高頻等效電路），測量S11和Z1。

起振條件：Mag［S11］》1 @fp

Ang［S11］=0 @fp