CN116961588B - 一种低噪声倍频晶体振荡器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低噪声倍频晶体振荡器电路,包括两个完全相同的晶体管调谐放大电路,两个完全相同的晶体谐振器网络,一个压控调谐网络和一个输出匹配滤波网络;其中,两个晶体谐振器网络连接于压控调谐网络两端,两个晶体管调谐放大电路对应连接于一个晶体谐振器网络的一端,所述输出匹配滤波网络对称地与两个晶体管调谐放大电路的输出端相连,将两路相位相反的振荡信号合成一路输出。本发明利用对称的晶体管电路提供振荡激励,同时实现振荡和倍频的电路功能,将在两个对称点获得的相位相反的基波信号合路,得到抵消奇数次频谱的高纯度的二倍频信号输出。本电路方案获得的二倍频信号具有更优的相位噪声性能,且电路简可靠,易于推广。
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,是涉及一种低噪声倍频晶体振荡器电路。
背景技术
众所周知,石英晶体在自然界大量存在且易于人工合成,获取代价较低,基于压电石英晶体制成的振荡器可以产生稳定的高质量基准频率信号,因此长期以来一直是现代电子通讯设备、仪器仪表等电子信息设备的“心脏”。晶体振荡器振荡频率由采用的晶体谐振器固有谐振频率确定,取决于它的外形尺寸、弹性系数和密度。石英晶片有很多种振动模式,其中厚度剪切振动具有频率范围宽、温度特性好、稳定度高、加工方便的特点,所以应用最多。基于厚度剪切工作的石英晶体谐振频率与其厚度呈反比例关系,谐振频率越高,晶片越薄,加工难度越大,因此晶体振荡器的输出频率都不可能太高,一般不超过200MHz。
在工程实践中,常常是将晶体振荡器输出信号进行倍频,通过专门“倍频-滤波-放大”的倍频链来获得需要的高频参考信号。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PN结非线性特性的谐波倍频技术被开发出来,如采用肖特基二极管的倍频技术(US5434522)、基于变容二极管的非线性传输线(NLTL)技术、采用阶越恢复二极管(SRD)的倍频技术、晶体管有源倍频技术(US 6549083 B2)等,专利CN 201830202U用晶体管PN结非线性实现的三倍频方案,专利CN104767488A也公布了一种基于晶体振荡器电路的倍频装置,该方案在倍频输出120MHz时可以获得-140dBc/Hz@1kHz的相位噪声;也有公司有专门的倍频器进行销售,如Mini-circuits提供的AMK系列倍频器产品。上述现有倍频技术方案,附加倍频相噪均按20logN规律恶化,当二倍频(N=2)时,附加相噪恶化至少6dB,而且专门的倍频电路实现晶振输出频率的倍增,使用不方便、电路复杂、体积大、功耗高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低噪声倍频晶体振荡器电路,主要解决现有倍频晶体振荡器使用不方便、电路复杂、体积大、功耗高的问题。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种低噪声倍频晶体振荡器电路,包括两个完全相同的晶体管调谐放大电路,两个完全相同的晶体谐振器网络,一个压控调谐网络和一个输出匹配滤波网络;其中,两个晶体谐振器网络连接于压控调谐网络两端,两个晶体管调谐放大电路对应连接于一个晶体谐振器网络的一端,所述输出匹配滤波网络对称地与两个晶体管调谐放大电路的输出端相连,将两路相位相反的振荡信号合成一路输出;所述晶体管调谐放大电路相互连接。
进一步地,在本发明中,两个所述晶体管调谐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Q1,一端与晶体管Q1集电极相连且另一端接电源VCC的电感L3,串联后一端连接电源VCC,另一端接地的分压电阻R1、分压电阻R2,一端与晶体管Q1的基极相连且另一端与分压电阻R1、分压电阻R2的公共端相连的电阻R3,连接于晶体管Q1的基极、发射极之间的电容C3、连接在晶体管Q1发射极和地之间的电容C4,一端与晶体管Q1发射极相连的电阻R4,并联后一端与电阻R4的另一端相连且另一端接地的电感L4、C5;其中,振荡信号从晶体管Q1的集电极A点取出;
所述第二放大电路包括晶体管Q2,一端与晶体管Q1集电极相连且另一端接电源VCC的电感L6,串联后一端连接电源VCC,另一端接地的分压电阻R10、分压电阻R11,一端与晶体管Q1的基极相连且另一端与分压电阻R10、分压电阻R11的公共端相连的电阻R9,连接于晶体管Q1基极、发射极之间的电容C12,连接在晶体管Q1发射极和地之间的电容C13,一端与晶体管Q2的发射极相连的电阻R8,并联后一端与电阻R8的另一端相连且另一端接地的电感L7、C11;
其中,从晶体管Q2的集电极B点取出与A点信号相位相反的另一路振荡信号。
进一步地,在本发明中,两个所述晶体谐振器网络分别记为第一晶体网络和第二晶体网络;
所述第一晶体网络包括晶体谐振器Y1和与之并联的电感L1,一端与晶体管Q1基极相连且另一端连接到晶体谐振器Y1的电感L2,以及一端与晶体谐振器Y1相连且另一端连接到压控调谐网络的电容C1;
所述第二晶体网络包括晶体谐振器Y2和与之并联的电感L9,一端与晶体管Q2基极相连且另一端连接到晶体谐振器Y2的电感L8,以及一端与晶体谐振器Y2相连且另一端连接到压控调谐网络的电容C15。
进一步地,在本发明中,所述压控调谐网络包括变容二极管D1,一端与变容二极管D1的正极相连且另一端连接地的电阻R5,一端与变容二极管D1的负极相连且另一端依次串联并连接到外部压控端EFC的电阻R6、电阻R7,一端连接在电阻R6、电阻R7之间且另一端接地的电容C7;其中,变容二极管D1的正极还与电容C1的一端相连;变容二极管D1的负极还与电容C15的一端相连。
进一步地,在本发明中,所述输出匹配滤波网络由电容C6、电容C8、电容C9、电容C10和电感L5组成;所述电容C6和电容C10串联后分别连接在晶体管Q1、晶体管Q2的集电极A、B点,所述电容C9一端连接到地且另一端连接在电容C6和电容C7的公共端,所述电感L5一端连接到电容C6、电容C9、电容C10的公共节点且另一端连接到电容C8,射频信号RF由电容C8的另一端输出。
进一步地,在本发明中,还包括电源滤波电容C2和电源滤波电容C14;所述电源滤波电容C2和电源滤波电容C14分别连接在电源VCC和地之间。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明的晶体管调谐放大电路采用两个完全对称的放大器形成差分结构,从两个振荡晶体管集电极相同位置引出两路相位相反的差分信号,合路后可有效抵消振荡器基波信号及其奇次谐波信号,获得高纯度的偶次倍频信号,电路简单,易于集成。
(2)本发明输出信号由两个反相的振荡信号直接合成产生,二倍频时理论相位噪声恶化仅3dB,而常规的倍频电路相噪理论恶化为6dB。因此采用本发明方案可以获得比现有倍频电路更优相位噪声的倍频信号。
附图说明
图1是本发明的倍频振荡器电路原理图。
图2是本发明振荡电路输出的差分信号。
图3是本发明主振荡电路输出倍频信号的频谱。
图4是100MHz超低相位噪声振荡器基波信号、传统的二倍频信号和采用本发明差分振荡合成的二倍频信号相位噪声曲线图。
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1所示,本发明公开的一种低噪声倍频晶体振荡器电路,该电路利用差分射频信号合路后可抵消奇次谐波的特性,采用差分结构组成主振荡电路,在主振电路的两个对称点输出差分振荡信号,直接合成输出偶次倍频信号,电路简单,易于集成。不同于功分后的合成,本方案将两路振荡信号合成,倍频后的信号相位噪声较传统倍频技术有明显的优化,可输出频谱纯度高、相位噪声指标更优的倍频信号。
该倍频晶体振荡器电路包括两个完全对称的晶体管调谐放大电路,分别从晶体管基极引出的晶体谐振器网络,将两个晶体谐振器网络连在一起的压控调谐网络,分别连接晶体管集电极并输出倍频信号的输出匹配网络;其中,所述晶体管调谐放大电路由射频晶体管、直流偏置电路和LC调谐网络组成;所述晶体谐振器网络由石英晶体谐振器、中和电感、调频电感、电容组成;所述压控调谐网络由变容二极管及其直流偏置元件组成;输出匹配滤波网络由LC选频网络组成。
在本实施例中,两个所述晶体管调谐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Q1,一端与晶体管Q1集电极相连且另一端接电源VCC的电感L3,串联后一端连接电源VCC,另一端接地的分压电阻R1、分压电阻R2,一端与晶体管Q1的基极相连且另一端与分压电阻R1、分压电阻R2的公共端相连的电阻R3,连接于晶体管Q1的基极、发射极之间的电容C3、连接在晶体管Q1发射极和地之间的电容C4,一端与晶体管Q1发射极相连的电阻R4,并联后一端与电阻R4的另一端相连且另一端接地的电感L4、C5;其中,振荡信号从晶体管Q1的集电极A点取出。
所述第二放大电路包括晶体管Q2,一端与晶体管Q1集电极相连且另一端接电源VCC的电感L6,串联后一端连接电源VCC,另一端接地的分压电阻R10、分压电阻R11,一端与晶体管Q1的基极相连且另一端与分压电阻R10、分压电阻R11的公共端相连的电阻R9,连接于晶体管Q1基极、发射极之间的电容C12,连接在晶体管Q1发射极和地之间的电容C13,一端与晶体管Q2的发射极相连的电阻R8,并联后一端与电阻R8的另一端相连且另一端接地的电感L7、C11;
其中,从晶体管Q2的集电极B点取出与A点信号相位相反的另一路振荡信号。
在本实施例中,两个所述晶体谐振器网络分别记为第一晶体网络和第二晶体网络;所述第一晶体网络包括晶体谐振器Y1和与之并联的电感L1,一端与晶体管Q1基极相连且另一端连接到晶体谐振器Y1的电感L2,以及一端与晶体谐振器Y1相连且另一端连接到压控调谐网络的电容C1。
所述第二晶体网络包括晶体谐振器Y2和与之并联的电感L9,一端与晶体管Q2基极相连且另一端连接到晶体谐振器Y2的电感L8,以及一端与晶体谐振器Y2相连且另一端连接到压控调谐网络的电容C15。
在本实施例中,所述压控调谐网络包括变容二极管D1,一端与变容二极管D1的正极相连且另一端连接地的电阻R5,一端与变容二极管D1的负极相连且另一端依次串联并连接到外部压控端EFC的电阻R6、电阻R7,一端连接在电阻R6、电阻R7之间且另一端接地的电容C7;其中,变容二极管D1的正极还与电容C1的一端相连;变容二极管D1的负极还与电容C15的一端相连。
在本实施例中,所述输出匹配滤波网络由电容C6、电容C8、电容C9、电容C10和电感L5组成;所述电容C6和电容C10串联后分别连接在晶体管Q1、晶体管Q2的集电极A、B点,所述电容C9一端连接到地且另一端连接在电容C6和电容C7的公共端,所述电感L5一端连接到电容C6、电容C9、电容C10的公共节点且另一端连接到电容C8,射频信号RF由电容C8的另一端输出。
在本实施例中,所述振荡器电路还包括电源滤波电容C2和电源滤波电容C14;所述电源滤波电容C2和电源滤波电容C14分别连接在电源VCC和地之间。
图1中,射频晶体管Q1和Q2均为主振激励晶体管,工作时分压电容C3、C4和第一晶体网络满足电容三点式振荡条件,分压电容C12、C13和第二晶体网络满足电容三点式振荡条件,适当调整分压电容C3、C4和分压电容C12、C13的值,电路满足振荡必须的相位条件和增益条件,电路将振荡在晶体谐振器谐振频率附近,电路起振,振荡信号为基波信号。
分别由电感L4、电容C5和电感L7、电容C11组成的LC并联谐振网络,均谐振在振荡器基波频率附近,对振荡信号呈高阻状态,可增加放大电路增益,提高回路信噪比,改善振荡信号的相位噪声。
电感L2和电感L8串联在各自的晶体谐振网络中,起调整振荡频率的作用,加大其感值可降低振荡频率,减小其感值可升高振荡频率;电容C1、C15同样串联在各自的晶体谐振网络中,其作用是隔直流信号和调整振荡频率,加大其容值可降低振荡频率,减小其容值可升高振荡频率;电感L1、L9分别并联在晶体谐振器Y1和Y2两端,与两个晶体谐振器的静电容并联谐振在振荡频率处,中和晶体谐振器静电容。
在压控调谐网络中,变容二极管D1串联在两个晶体谐振器网络间,电阻R5连接在变容二极管D1正极和地之间,为变容二极管D1提供零电平参考电压;电阻R6、R7连接在压控电压端EFC和变容二极管D1负极,由压控端EFC给出的直流压控调谐电压通过电阻R6、R7加载到变容二极管。当EFC电压升高时,变容二极管结电容减小,基波频率升高,当EFC电压降低时,变容二极管结电容增大,基波频率降低;电容C7连接在电阻R6、R7节点和地之间,和R7构成典型的RC低通滤波器,可以滤除压控端EFC串入的高频噪声信号,改善压控调谐时振荡信号的相位噪声。
输出匹配滤波网络为四端口网络,其中一端通过电容C9接地,两个对称的端口通过容值相同的电容C6、C10分别连接到晶体管Q1集电极A处和Q2集电极B处,合路信号依次通过电感L5和电容C8输出,得到最终的射频信号RF;此外,直流馈电电感L3、L6一方面分别为晶体管Q1、Q2提供直流电压,另一方面和输出匹配网络一起参与调谐,以输出满足期望的倍频信号。
特别地,两个晶体管调谐放大电路和谐振器网络电路对称,各相应电路元件值完全相同,以保证在晶体管Q1集电极A处和Q2晶体管集电极B处得到相位相反的差分信号,如图2所示,从而达到合路后倍频信号对基波频率的奇数倍谐波信号的抑制;调谐输出匹配网络元件值,可以在射频输出端RF方便地获得振荡基波信号的二倍频、四倍频等偶次倍频信号;如图3所示。
本发明的电路方案中,由主振荡电路直接产生两路相位相反的差分振荡信号,合路后直接输出抵消掉振荡基波信号奇次谐波的偶次倍频信号,电路简单,易于集成。另外,本方案由主振电路直接产生两路频率相同相位相反的差分信号,功率合成后得到的倍频信号较传统的倍频信号有更优的相位噪声指标。图4为100MHz低噪声振荡器相位噪声、100MHz二倍频输出200MHz相位噪声以及本发明差分振荡获得的200MHz信号相位噪声指标对比情况。可以看出,本发明差分倍频电路方案较传统的倍频电路技术在相位噪声性能有非常明显的改善。此外,通过本发明电路方案,可以采用较低基波频率的晶体谐振器来实现高频输出,电路简单,易于集成,在频率稳定性、成本控制等方面具有明显的优势。
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 (4)
1.一种低噪声倍频晶体振荡器电路,其特征在于,包括两个完全相同的晶体管调谐放大电路,两个完全相同的晶体谐振器网络,一个压控调谐网络和一个输出匹配滤波网络;其中,两个晶体谐振器网络连接于压控调谐网络两端,两个晶体管调谐放大电路对应连接于一个晶体谐振器网络的一端,所述输出匹配滤波网络对称地与两个晶体管调谐放大电路的输出端相连,将两路相位相反的振荡信号合成一路输出;所述晶体管调谐放大电路相互连接;
所述压控调谐网络包括变容二极管D1,一端与变容二极管D1的正极相连且另一端连接地的电阻R5,一端与变容二极管D1的负极相连且另一端依次串联并连接到外部压控端EFC的电阻R6、电阻R7,一端连接在电阻R6、电阻R7之间且另一端接地的电容C7;其中,变容二极管D1的正极、负极还与晶体谐振器网络相连;
所述输出匹配滤波网络由电容C6、电容C8、电容C9、电容C10和电感L5组成;所述电容C6和电容C10串联后分别连接到两个所述晶体管调谐放大电路,所述电容C9一端连接到地且另一端连接在电容C6和电容C10的公共端,所述电感L5一端连接到电容C6、电容C9、电容C10的公共节点且另一端连接到电容C8,射频信号RF由电容C8的另一端输出。
2.根据权利要求1所述的一种低噪声倍频晶体振荡器电路,其特征在于,两个所述晶体管调谐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Q1,一端与晶体管Q1集电极相连且另一端接电源VCC的电感L3,串联后一端连接电源VCC,另一端接地的分压电阻R1、分压电阻R2,一端与晶体管Q1的基极相连且另一端与分压电阻R1、分压电阻R2的公共端相连的电阻R3,连接于晶体管Q1的基极、发射极之间的电容C3、连接在晶体管Q1发射极和地之间的电容C4,一端与晶体管Q1发射极相连的电阻R4,并联后一端与电阻R4的另一端相连且另一端接地的电感L4、C5;其中,振荡信号从晶体管Q1的集电极A点取出;
所述第二放大电路包括晶体管Q2,一端与晶体管Q1集电极相连且另一端接电源VCC的电感L6,串联后一端连接电源VCC,另一端接地的分压电阻R10、分压电阻R11,一端与晶体管Q1的基极相连且另一端与分压电阻R10、分压电阻R11的公共端相连的电阻R9,连接于晶体管Q1基极、发射极之间的电容C12,连接在晶体管Q1发射极和地之间的电容C13,一端与晶体管Q2的发射极相连的电阻R8,并联后一端与电阻R8的另一端相连且另一端接地的电感L7、C11;
其中,从晶体管Q2的集电极B点取出与A点信号相位相反的另一路振荡信号。
3.根据权利要求2所述的一种低噪声倍频晶体振荡器电路,其特征在于,两个所述晶体谐振器网络分别记为第一晶体网络和第二晶体网络;
所述第一晶体网络包括晶体谐振器Y1和与之并联的电感L1,一端与晶体管Q1基极相连且另一端连接到晶体谐振器Y1的电感L2,以及一端与晶体谐振器Y1相连且另一端连接到压控调谐网络的电容C1;
所述第二晶体网络包括晶体谐振器Y2和与之并联的电感L9,一端与晶体管Q2基极相连且另一端连接到晶体谐振器Y2的电感L8,以及一端与晶体谐振器Y2相连且另一端连接到压控调谐网络的电容C15。
4.根据权利要求3所述的一种低噪声倍频晶体振荡器电路,其特征在于,还包括电源滤波电容C2和电源滤波电容C14;所述电源滤波电容C2和电源滤波电容C14分别连接在电源VCC和地之间。
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