单晶体晶体振荡器电路的分类和使用

大多数现代石英晶体振荡器电路属于两种设计类别之一：Colpitts/Clapp振荡器和Pierce振荡器.还有其他类型的单晶体管振荡器(例如Hartley和Butler),但它们的用途和应用超出了讨论的范围.

对于振荡器的电子电路,必须满足两个标准.它必须包含一个具有足够增益的放大器,以克服反馈网络(在这种情况下为石英晶体)的损耗,并且整个电路周围的相移为0°或360°的某个整数倍.要设计一个压电石英晶振必须是真实的,但有许多其他因素包括晶体功耗,不需要的模式抑制,晶体负载(晶体在振荡开始时看到的实际阻抗)和非线性的引入在增益中限制振荡积累.

考虑图1中Colpitts/Clapp振荡器的简单电路.没有正确的仿真工具,这个电路在振荡频率上具有负电阻(必须超过晶体等效串联电阻),这一点并不是很明显.增益超过1(允许振荡器启动)一旦振荡开始就下降到单位,然后通过晶体管基极发射极结上的电压限制或晶体管集电极电流不足来稳定.

对于AT切割晶体,通过仔细选择元件值,可以使该贴片晶振电路从大约1MHz振荡到200MHz以上,同时完全控制晶体驱动电平和晶体负载阻抗.对于稳定的低噪声振荡器,晶体管的选择至关重要.理想情况下,它将是具有低内部电容的高频,低噪声晶体管(建议使用~1至5GHz的Ft).

标记为X的元件是电抗(电容器和/或电感器),以使振荡器负载电容与所选晶体(系列,20pF,30pF等)的电容匹配.标记为Y的成分仅用于泛音晶体.它通常是与电容器串联的电感器.其目的是使C2在您想要抑制的频率上看起来具有感应性,但在选定的工作泛音频率下看起来仍然是电容性的.

Colpitts和Clapp振荡器是相同设计的变体.在图1中,Colpitts变体不使用组件X来调整频率,而是仅依赖于抽头槽C1和C2.串联元件X的加入使Colpitts振荡器成为Clapp振荡器.Clapp变体是优选的,因为改变C1和C2的值/比率将改变振荡器特性并可能对振荡器产生不利影响.

图2是使用BFS17晶体管制作工作振荡器的各种频率下的典型起始值表.晶体负载电容选择为大约20pF,晶体功耗选择为大约100μW.所有值都需要优化,以适应实际选择的晶体,所选晶体管和所需的1612温补晶体振荡器性能(相位噪声,短期稳定性,输出电压电平,晶体驱动电平,晶体负载阻抗等)

Freq,ESR,C0是所选晶体的功能.Ra,Rb,Re,C1,C2,X是所选择的电路值.NegR,增益是晶体在振荡开始之前看到的初始条件.Vout是振荡稳定后晶体管发射极的预期pk/pk电压.

Colpitts/Clapp振荡器的输出通常取自晶体管的发射极,即温补晶振电路中的最低阻抗点.必须非常注意如何加载这一点,以免反映回振荡器环路并对振荡器性能产生不利影响.晶体管发射极上的波形不是正弦波,而是一个小的圆形“方波”,通常为0.3V/1Vpk/pk和15％/30％占空比.这是因为循环正弦振荡器电流在晶体,X,C1,C2环路周围流动,晶体管每个周期只提供一个“瞬间”电流,以弥补晶体,X,C1,C2环路中的电阻损耗.