CN116488584B - 一种高频谱纯度倍频晶体振荡器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高频谱纯度倍频晶体振荡器电路，主要解决现有倍频晶体振荡器频谱纯度易受影响的问题。该晶体振荡器电路包括主振电路，与主振电路相连的功分器，两个分别对应连接于功分器的两个输出端的共基放大电路，以及与两个共基放大电路输出端相连的输出匹配网络；其中，所述主振电路由LC振荡电路和与其相连的谐振器选频调谐网络组成；所述功分器的输入端与谐振器选频调谐网络相连。本发明利用功分器将主振信号分为两路相位相反的差分信号，分别进入放大器放大后再合并为一路输出，该方案可以有效抵消振荡器产生的基波分量及其他奇次谐波分量，获得高纯度的二倍频信号，电路简单、集成度高。
Description
技术领域
本发明属于石英晶体振荡器技术领域，具体地说，是涉及一种高频谱纯度倍频晶体振荡器电路。
背景技术
晶体振荡器可以产生稳定的基准频率信号，在现代电子通讯设备、仪器仪表等电子信息设备中处于最重要的地位。高性能的频率产生一直是现代信息、时频技术发展的基础，几乎所有的电子信息设备均由晶体振荡器提供稳定的频率参考，并在此基础上进行各种频率变换，以适用于各类应用场合。
晶体振荡器输出频率取决于谐振器晶片本身机械尺寸，更高的振荡频率需要更薄的石英晶片厚度，而高基频的石英晶片变得薄且脆，难于加工，并且可靠性也不能得到保证，而且谐振器频率越高其频率稳定性就越差，因此通常精密晶体谐振器的频率一般不超过200MHz。随着射频微波通讯技术的快速发展，很多电子信息装备或***中，通常需要高质量的高频本振信号。高频谱纯度、低相位噪声的高频晶振参考信号有益于***频率合成，可以简化电路、降低成本、减小后级电路对滤波器等元器件数量和指标的要求。
现有技术中，通常采用专门的倍频电路来实现晶振输出频率倍增，有很多基于多谐波倍频技术被开发出来。如专利CN 204886874 U提出了一种利用晶体管PN结非线性产生高次谐波实现的倍频器方案，类似的技术方案需要在晶体振荡器外部单独设计倍频电路，使用不方便、电路复杂、体积大、功耗高。专利US 6549083 B2公布了一种倍频晶体振荡器电路，如图1所示，在振荡电路选取高次谐波，通过专门的滤波器（如声表滤波器）选出需要的高谐波并放大，因为滤波器***损耗和带外抑制指标，通常要用多级滤波放大电路来获得足够功率的高纯信号。专利CN 104767488 A采用集成JFET晶体管构成的反相器组成振荡电路，输出方波信号，可以很便捷地获得奇次倍频信号，但该电路适合100MHz以下的振荡频率，3倍频输出120MHz时相位噪声在偏离载频1kHz处仅-140dBc/Hz左右，而且仅靠LC选频网络很难实现次谐波的高抑制比，频谱纯度受到影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高频谱纯度倍频晶体振荡器电路，主要解决现有倍频晶体振荡器频谱纯度易受影响的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高频谱纯度倍频晶体振荡器电路，包括主振电路，与主振电路相连的功分器，两个分别对应连接于功分器的两个输出端的共基放大电路，以及与两个共基放大电路输出端相连的输出匹配网络；其中，所述主振电路由LC振荡电路和与其相连的谐振器选频调谐网络组成；所述功分器的输入端与谐振器选频调谐网络相连。
进一步地，在本发明中，两个所述共基放大电路分别记为第一放大电路和第二放大电路；
所述第一放大电路包括晶体管Q201，一端与晶体管Q201的发射极相连且另一端接地的电阻R201，一端与晶体管Q201的基极相连且另一端接地的电容C208，一端与晶体管Q201的发射极相连且另一端与功分器的一个输出端相连的电容C206，一端与晶体管Q201的集电极相连的电感L204，一端与电感L204的另一端相连且另一端连接到电源VCC的电阻R203，以及一端与电感L204、电阻R203公共端相连且另一端接地的匹配电容C212；其中，晶体管Q201的发射极通过电阻R201连接到地形成直流通路，晶体管Q201的集电极取出一路射频信号；
所述第二放大电路包括晶体管Q202，一端与晶体管Q202的发射极相连且另一端接地的电阻R202，一端与晶体管Q202的基极相连且另一端接地的电容C209，一端与晶体管Q202的发射极相连且另一端与功分器的另一个输出端相连的电容C207，以及一端与晶体管Q202的集电极相连的电感L205；其中，电感L205的另一端与电阻R203、电感L204的公共端相连；晶体管Q202的发射极通过电阻R202连接到地形成直流通路，晶体管Q202的集电极取出另一路与第一放大电路中的射频信号相位相反的射频信号。
进一步地，在本发明中，所述LC振荡电路包括晶体管Q200，一端与晶体管Q200的集电极相连且另一端接地的电容C202，一端与晶体管Q200的基极相连且另一端接地的电容C200，连接于晶体管Q200的基极与集电极之间的电感L200，一端连接于晶体管Q200的发射极且另一端接地的电容C201，一端连接于晶体管Q200的发射极的电感L201，并联后一端与电感L201的另一端相连且另一端接地的电阻R200和电容C204；其中，晶体管Q200的发射极与晶体谐振器选频调谐网络相连。
进一步地，在本发明中，所述晶体谐振器选频调谐网络相连包括晶体谐振器Y200，并联于晶体谐振器Y200两端的电感L202，一端与晶体谐振器Y200一端相连且另一端与晶体管Q200的发射极相连的电容C203，一端与晶体谐振器Y200另一端相连的电感L203，以及一端与电感L203的另一端相连且另一端与功分器的输入端相连的电容C205。
进一步地，在本发明中，所述输出匹配网络由电容C210、电容C211、电容C213和电感L206、电感L207组成；所述电容C210的一端与晶体管Q201的集电极相连，所述电容C210的另一端与电感L206的一端相连，所述电容C211的一端与晶体管Q202的集电极相连，所述电容C211的另一端与电感L207的一端相连，所述电感L207的另一端、电感L206的另一端相连后作为输出匹配网络的输出端，所述电容C213的一端与电感L207、电感L206的公共端相连且另一端接地。
进一步地，在本发明中，所述功分器为180°功分器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明利用功分器将主振信号分为两路相位相反的差分信号，分别进入放大器放大后再合并为一路输出，该方案可以有效抵消振荡器产生的基波分量及其他奇次谐波分量，获得高纯度的二倍频信号，电路简单、集成度高。
（2）本发明摒弃了传统“倍频-滤波－放大”的高频信号获取方式，将高频产生电路和晶振主振电路融合在一起，集成在晶体振荡器内部，可以用低频晶体谐振器获得稳定的低噪声高频输出信号，成本低廉，使用方便。
（3）本发明的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，可以获得标准的正弦波信号，同时实现极低相位噪声的射频信号。
附图说明
图1是现有的倍频晶体振荡器原理图。
图2是本发明的倍频晶体振荡器原理图。
图3是理想的差分正弦波信号示意图。
图4理想双共基放大器放大差分信号合路后的输出频谱。
图5是本发明的振荡电路内部产生的实际差分信号。
图6是本发明的倍频晶体振荡器实际输出信号的频谱图。
图7是本发明的倍频晶体振荡器输出信号的相位噪声指标。
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。
本发明公开的一种高频谱纯度倍频晶体振荡器电路，该电路利用差分信号相位差可抵消奇次谐波的特性，将倍频电路和振荡电路结合在一起，电路简单，集成度高，可以实现高频谱纯度的晶振二倍频信号输出和低相位噪声指标。
该晶体振荡器电路包括主振电路，与主振电路相连的功分器，两个分别对应连接于功分器的两个输出端的共基放大电路，以及与两个共基放大电路输出端相连的输出匹配网络；其中，所述主振电路传统的反馈型的LC振荡电路和晶体谐振器网络组成；所述功分器的输入端与谐振器选频调谐网络相连。 其中，所述功分器为180°功分器，为本实施例中的功分器N200。
在本实施例中，两个所述共基放大电路分别记为第一放大电路和第二放大电路；所述第一放大电路包括晶体管Q201，一端与晶体管Q201的发射极相连且另一端接地的电阻R201，一端与晶体管Q201的基极相连且另一端接地的电容C208，一端与晶体管Q201的发射极相连且另一端与功分器的一个输出端相连的电容C206，一端与晶体管Q201的集电极相连的电感L204，一端与电感L204的另一端相连且另一端连接到电源VCC的电阻R203，以及一端与电感L204、电阻R203公共端相连且另一端接地的匹配电容C212；其中，晶体管Q201的发射极通过电阻R201连接到地形成直流通路，晶体管Q201的集电极取出一路射频信号。
所述第二放大电路包括晶体管Q202，一端与晶体管Q202的发射极相连且另一端接地的电阻R202，一端与晶体管Q202的基极相连且另一端接地的电容C209，一端与晶体管Q202的发射极相连且另一端与功分器的另一个输出端相连的电容C207，以及一端与晶体管Q202的集电极相连的电感L205；其中，电感L205的另一端与电阻R203、电感L204的公共端相连；晶体管Q202的发射极通过电阻R202连接到地形成直流通路，晶体管Q202的集电极取出另一路与第一放大电路中的射频信号相位相反的射频信号。
在本实施例中，所述LC振荡电路包括晶体管Q200，一端与晶体管Q200的集电极相连且另一端接地的电容C202，一端与晶体管Q200的基极相连且另一端接地的电容C200，连接于晶体管Q200的基极与集电极之间的电感L200，一端连接于晶体管Q200的发射极且另一端接地的电容C201，一端连接于晶体管Q200的发射极的电感L201，并联后一端与电感L201的另一端相连且另一端接地的电阻R200和电容C204；其中，晶体管Q200的发射极与晶体谐振器选频调谐网络相连。其中，电容C202、容C200和电感L200构成π型移相网络，用于实现在振荡频率附近实现180°移相。电容C201、电感L201和电容C204构成另一个谐振网络，该网络并联谐振在振荡频率附近，对振荡信号呈高阻状态。
在本实施例中，所述晶体谐振器选频调谐网络相连包括晶体谐振器Y200，并联于晶体谐振器Y200两端的电感L202，一端与晶体谐振器Y200一端相连且另一端与晶体管Q200的发射极相连的电容C203，一端与晶体谐振器Y200另一端相连的电感L203，以及一端与电感L203的另一端相连且另一端与功分器的输入端相连的电容C205。
在本实施例中，所述输出匹配网络由电容C210、电容C211、电容C213和电感L206、电感L207组成；所述电容C210的一端与晶体管Q201的集电极相连，所述电容C210的另一端与电感L206的一端相连，所述电容C211的一端与晶体管Q202的集电极相连，所述电容C211的另一端与电感L207的一端相连，所述电感L207的另一端、电感L206的另一端相连后作为输出匹配网络的输出端，所述电容C213的一端与电感L207、电感L206的公共端相连且另一端接地。输出匹配网络分别连接在两个共基放大电路中的晶体管的集电极，振荡器偶次谐波信号通过匹配网络合并为一路输出。
图2中，射频晶体管Q200为主振晶体管，工作时其基极和集电极相位相差180°左右。电容C200、电容C202和电感构成π型移相器，在设定的振荡频率附近相移满足180°，与晶体管Q200共同实现360°移相，满足振荡所需的相位条件。电容C204为交流退耦电容，对交流信号体现为对地短路的低阻；晶体管Q200发射极连接的电感L201、电容C201并联谐振在振荡频率附近，呈高阻状态，为支持电路提供足够的增益。当同时满足相位条件和增益条件时，电路起振。
交流振荡信号通过隔直流电容C203由晶体谐振器网络取出，晶体谐振器Y200工作在串联谐振频率，在电路中工作时呈纯电阻特性。电感L202与谐振器Y200并联，选着合适的电感值与谐振器静态电容并联谐振在晶体谐振器Y200的串联谐振频率处，抵消晶体谐振器静电容的影响，进一步提高晶体谐振器网络有载Q值。
电感L203、电容C205与晶体谐振器Y200串联，在电路中主要起调整输出频率的作用，增大电感L203和电容C205的值可以降低振荡器输出频率，反之可以提高振荡器输出频率；实际使用中可以用变容二极管替代电容C205，以实现外部电压控制调谐振荡器输出频率。
功分器N200将谐振器输出的正弦波振荡信号一分为二，在两个输出端A、B分别输出两路相位差为180°的差分信号，如图3所示。
分别由射频晶体管Q201和Q202及其***电路构成两个完全相同的放大电路，电容C208、电容C209为交流对地短路，为典型的晶体管共基放大电路。两路相位相反的射频信号分别从晶体管Q201、Q202发射极输入，集电极输出。
从射频晶体管Q201、Q202集电极输出的两路相位相反的射频信号分别由电容C210、电感L206和电容C211、L207组成的串联谐振电路输出，并在电感L206、L207连接出合并成一路输出，由于相位差在180°的基波信号和奇次谐波信号相互抵消，在合路处输出纯净的二倍频信号。电感L204、L205分别为晶体管Q201、晶体管Q202提供直流通路，并且分别和电容C210、电感L206，电容C211、电感L207以及电容C213组成匹配滤波网络，将晶体管集电极输出的高阻抗匹配到50欧姆的标准射频阻抗，并保证输出二倍频信号的谐波抑制（如图4）。
在具体实施过程中，实际上很难得到如图3所示的标准正弦波信号，因此也很难得到如图4所示的次谐波抑制水平。实际电路工作中，如图2所示的A点和B点处得到的射频正弦波信号有一定失真，如图5所示，在差分信号合路后在振荡器输出端实际可以得到如图6所示的输出频谱，由图6可以看出，在不使用专门滤波器的情况下，通过本发明提供的电路方案，可以获得90dBc以上的次谐波抑制。
本发明实施例的振荡电路中，将振荡信号180°功分，分别进行放大后合路，利用两路信号相位相反的关系，合路后可直接输出抵消掉奇次谐波的二倍频信号，在不使用专门滤波放大电路的条件下获得高频谱纯度的高频信号，电路简单可靠，易于集成。另外，由于振荡电路采用晶体谐振器串联振荡电路，射频信号直接从晶体谐振器网络取出，充分利用了晶体谐振器的高Q窄带滤波特性，可以获得极低的相位噪声指标，保证了时候出倍频信号的相位噪声指标。图7为本发明在使用100MHz晶体谐振器振荡，输出为200MHz时的相位噪声指标，可以看出，本电路方案在输出为200MHz时偏离载频1kHz时可以获得-160dBc/Hz的相噪指标，底部相位噪声可达到-170dBc/Hz，性能良好。此外，采用本发明电路方案，可以采用较低基波频率的晶体谐振器来实现高频输出，在频率稳定性、成本控制等方面具有更大的优势。
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 (5)
1.一种高频谱纯度倍频晶体振荡器电路，其特征在于，包括主振电路，与主振电路相连的功分器，两个分别对应连接于功分器的两个输出端的共基放大电路，以及与两个共基放大电路输出端相连的输出匹配网络；其中，所述主振电路由LC振荡电路和与其相连的谐振器选频调谐网络组成；所述功分器的输入端与谐振器选频调谐网络相连；其中，功分器将主振电路产生的主振信号分为两路相位相反的差分信号，分别进入个共基放大电路放大后再通过输出匹配网络合并为一路输出；
其中，两个所述共基放大电路分别记为第一放大电路和第二放大电路；
所述第一放大电路包括晶体管Q201，一端与晶体管Q201的发射极相连且另一端接地的电阻R201，一端与晶体管Q201的基极相连且另一端接地的电容C208，一端与晶体管Q201的发射极相连且另一端与功分器的一个输出端相连的电容C206，一端与晶体管Q201的集电极相连的电感L204，一端与电感L204的另一端相连且另一端连接到电源VCC的电阻R203，以及一端与电感L204、电阻R203公共端相连且另一端接地的匹配电容C212；其中，晶体管Q201的发射极通过电阻R201连接到地形成直流通路，晶体管Q201的集电极取出一路射频信号至输出匹配网络；
所述第二放大电路包括晶体管Q202，一端与晶体管Q202的发射极相连且另一端接地的电阻R202，一端与晶体管Q202的基极相连且另一端接地的电容C209，一端与晶体管Q202的发射极相连且另一端与功分器的另一个输出端相连的电容C207，以及一端与晶体管Q202的集电极相连的电感L205；其中，电感L205的另一端与电阻R203、电感L204的公共端相连；晶体管Q202的发射极通过电阻R202连接到地形成直流通路，晶体管Q202的集电极取出另一路与第一放大电路中的射频信号相位相反的射频信号至输出匹配网络。
2.根据权利要求1所述的一种高频谱纯度倍频晶体振荡器电路，其特征在于，所述LC振荡电路包括晶体管Q200，一端与晶体管Q200的集电极相连且另一端接地的电容C202，一端与晶体管Q200的基极相连且另一端接地的电容C200，连接于晶体管Q200的基极与集电极之间的电感L200，一端连接于晶体管Q200的发射极且另一端接地的电容C201，一端连接于晶体管Q200的发射极的电感L201，并联后一端与电感L201的另一端相连且另一端接地的电阻R200和电容C204；其中，晶体管Q200的发射极与晶体谐振器选频调谐网络相连。
3.根据权利要求2所述的一种高频谱纯度倍频晶体振荡器电路，其特征在于，所述晶体谐振器选频调谐网络包括晶体谐振器Y200，并联于晶体谐振器Y200两端的电感L202，一端与晶体谐振器Y200一端相连且另一端与晶体管Q200的发射极相连的电容C203，一端与晶体谐振器Y200另一端相连的电感L203，以及一端与电感L203的另一端相连且另一端与功分器的输入端相连的电容C205。
4.根据权利要求3所述的一种高频谱纯度倍频晶体振荡器电路，其特征在于，所述输出匹配网络由电容C210、电容C211、电容C213和电感L206、电感L207组成；所述电容C210的一端与晶体管Q201的集电极相连，所述电容C210的另一端与电感L206的一端相连，所述电容C211的一端与晶体管Q202的集电极相连，所述电容C211的另一端与电感L207的一端相连，所述电感L207的另一端、电感L206的另一端相连后作为输出匹配网络的输出端，所述电容C213的一端与电感L207、电感L206的公共端相连且另一端接地。
5.根据权利要求4所述的一种高频谱纯度倍频晶体振荡器电路，其特征在于，所述功分器为180°功分器。
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