射頻接收系統(tǒng)晶體振蕩電路的設(shè)計(jì)與分析

簡(jiǎn)介 采用了理論分析、工程估算、SPICE模擬以及與實(shí)際調(diào)試相結(jié)合的方法確定了射頻接收系統(tǒng)中晶體振蕩電路的結(jié)構(gòu)、直流工作點(diǎn)及電路的元器件參數(shù)。
關(guān)鍵詞 射頻 晶體振蕩器 SPICE模擬 工程估算

　　隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，振蕩器的研究、設(shè)計(jì)和技術(shù)得到了很大的發(fā)展。為了適應(yīng)無線尋呼接收機(jī)、FM-SCA股票機(jī)、PDA等通信產(chǎn)品的小型化，在射頻接收電路中一本振采用了晶體振蕩電路。

一、 射頻接收中晶體振蕩電路的設(shè)計(jì)及工程估算

1. 振蕩電路的確定

　　對(duì)振蕩電路的選擇取決于對(duì)工作頻率、頻率穩(wěn)定度的要求，同時(shí)還要考慮射頻接收小型化、低功耗及其他要求。晶體振蕩電路應(yīng)設(shè)計(jì)成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗小、調(diào)試方便并且頻率可以微調(diào)的電路。經(jīng)過分析，確定采用如圖1所示的結(jié)構(gòu)。該電路為電容三點(diǎn)式振蕩，是串聯(lián)式晶體振蕩電路。

圖1 一本振石英晶體振蕩電路原理圖

(1) 振蕩電路原理分析

　　圖2為圖1的交流等效電路，其中C16、C17、L05組成的支路相對(duì)于三次泛音晶體的基頻開路，在晶體的標(biāo)稱頻率振蕩時(shí)可以不考慮。由于振蕩器的輸出負(fù)載和振蕩器之間是弱耦合，故也可以忽略不計(jì)。晶振工作在串聯(lián)諧振頻率上，且晶振發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，該振蕩器電路的正反饋?zhàn)顝?qiáng)，只有這時(shí)才能滿足振幅條件而使電路起振。一旦晶振工作點(diǎn)偏離串聯(lián)諧振點(diǎn)，由于晶體的動(dòng)態(tài)電感很大，而R09較小，則等效并聯(lián)在電感和晶振兩端的電阻較小，大大影響了諧振網(wǎng)絡(luò)的Q值，使電路無法工作。

圖2 交流等效電路

　　在此電路中，電路進(jìn)入集電結(jié)的飽和區(qū)而發(fā)生飽和限幅失真，集電極電流因此包含豐富的諧波分量，輸出負(fù)載網(wǎng)絡(luò)調(diào)諧在振蕩回路的二次諧波上（L06和晶振支路相對(duì)于二次諧波開路），而有效抑制基波及其余各次諧波。

　　此種類型的振蕩器可以用如圖3所示的模型描述，即一個(gè)線性時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)（LTIN）將振蕩器電路分成三部分：一個(gè)非線性有源器件、一個(gè)基波諧振網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)二次諧波網(wǎng)絡(luò)。

圖3 一本振石英晶體振蕩器等效電路模型

　　其中，有源器件的電流-電壓轉(zhuǎn)移關(guān)系可描述為：

由于除了基波和二次諧波外，其他各次諧波沒有可以流通的諧振回路，故為簡(jiǎn)化起見，分析時(shí)僅列出這兩項(xiàng)（如上式所示）。在本電路中，二倍頻選頻回路與基波振蕩回路之間屬弱耦合，且二次諧波分量對(duì)振蕩回路電流I的影響甚小，故U≈U1。因此,在分析此電路時(shí)，可先忽略二倍頻選頻回路，僅分析基波諧振回路與有源器件形成的網(wǎng)絡(luò)回路，求出各點(diǎn)的基波電壓幅度。由于該電路也會(huì)出現(xiàn)集電極飽和，因此集電極-基極電壓被限幅，然后由圖中基極-發(fā)射極電壓與集電極各次諧波電流的關(guān)系得到集電極二次諧波電流，由此電流與二倍頻選頻網(wǎng)絡(luò)組成的回路得出其二次諧波輸出電壓幅度。

(2) 頻率穩(wěn)定度分析

　　圖4為由交流等效電路圖簡(jiǎn)化后得到的振蕩回路中基波回路的交流等效電路圖。振蕩器的環(huán)路增益可近似表示為AL=gmZL(C2/C1)，其中ZL是L、C1、Y1和C2的并聯(lián)阻抗，而Y1為晶體的等效阻抗，則頻率穩(wěn)定度為：

圖4 振蕩器的交流簡(jiǎn)化圖

　　環(huán)路增益的極點(diǎn)有兩對(duì)共軛解，頻率為（式中C為C1與C2的并聯(lián)電容），其中頻率為ω01的極點(diǎn)位于右半平面，ω02的極點(diǎn)位于左半平面，故頻率穩(wěn)定度為

其中，Q2為晶體的品質(zhì)因數(shù)，Q1為回路的品質(zhì)因數(shù)，Q2?Q1，所以Sf≈2Q2。由式(2)可知，采用上述振蕩電路的頻率穩(wěn)定度極高，即振蕩電路的振蕩頻率很穩(wěn)定，有利于保證振蕩頻率的一致性。

　　調(diào)整L、C1、C2或由于溫度等的變化使L、C1、C2值發(fā)生變化時(shí)，振蕩頻率的相對(duì)變化率為

　　式(3)表明：晶體振蕩器的頻率在由晶振和外部調(diào)整網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成的回路中，外部LC網(wǎng)絡(luò)的Q值應(yīng)該選擇得比較低，才有益于晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定。

2. 晶體管的選擇與靜態(tài)工作點(diǎn)的確定

　　對(duì)小功率振蕩器，晶體管的選擇原則是能在工作頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定地振蕩。此外，管子除了應(yīng)有足夠大的跨導(dǎo)外，對(duì)于高頻振蕩器，其特征頻率fT應(yīng)大于振蕩頻率f。靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)定除了考慮起振和波形失真兩方面要求外，還應(yīng)考慮射頻接收的低功耗要求。Motorola的晶體管MMBR911等即符合要求。圖5為振蕩電路的靜態(tài)偏置電路。R07、R09分別為集電極和基極偏置電阻，靜態(tài)工作點(diǎn)為Ub=0.7V、Uc=0.62V，集電極電流為 1.30mA。

圖5 靜態(tài)偏置電路

3. LC回路參數(shù)與二倍頻電路參數(shù)的確定

　　(1) 工程估算

　　以實(shí)際開發(fā)中的SCA股票機(jī)為例，假設(shè)接收頻率為101.1MHz，第一中頻為10.7MHz，則本振信號(hào)頻率為90.4MHz。本振信號(hào)取自晶體振蕩器的二次倍頻信號(hào)，則該晶體的標(biāo)稱頻率為45.2MHz。根據(jù)石英的特點(diǎn)，這種頻段的晶體一般采用石英的三次泛音制成。

　　作為工程計(jì)算，當(dāng)回路諧振時(shí)，圖1中石英晶體可以近似地等效為純電阻。振蕩回路與二倍頻回路的耦合是弱耦合，因此，在計(jì)算回路諧振頻率時(shí)，可以忽略二倍頻回路對(duì)振蕩回路的影響。設(shè)C18=39pF，C19=10pF，則回路串聯(lián)電容值主要決定于C19，計(jì)算時(shí)可以忽略晶體管參數(shù)Cbe。

　　下面計(jì)算回路諧振頻率為45.2MHz時(shí)可調(diào)電感的中心值：

式中,

　　在實(shí)際使用中，由于寄生參數(shù)等的影響，L06的值還須實(shí)驗(yàn)校正或適當(dāng)調(diào)整C19的值。同時(shí)，在各頻段的電路調(diào)試中，若電容C18 和C19的值不變，則在不同頻段L06的值應(yīng)有所不同。電感值應(yīng)由工程估算后，經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定。

　　在振蕩電路中，發(fā)射極電感L07作軛流圈使用。它與C19組成的回路應(yīng)諧振在三次泛音晶體的基頻15MHz左右，以抑制振蕩回路的基頻分量，故可取L07=10μH，此時(shí)回路的諧振頻率為

　　采用電容耦合取出振蕩信號(hào)，通過二倍頻網(wǎng)絡(luò)的選頻作用，在混頻管基極得到所需的本振頻率信號(hào)。二倍頻電路由并聯(lián)LC回路組成。設(shè)可調(diào)電感L05的中心值為105nH,當(dāng)回路諧振在f=90.4MHz時(shí)，電容C17近似計(jì)算如下：

　　以上為振蕩回路與選頻回路的主要元器件的工程估算值，精確值還須實(shí)驗(yàn)調(diào)試確定。

(2) SPICE模擬

　　采用SPICE分析時(shí)，由于回路中有高Q值的石英晶體，在串聯(lián)諧振點(diǎn)附近，電路對(duì)微分方程的不精確性格外敏感，最壞情況是正弦波在諧振點(diǎn)附近而又不在諧振點(diǎn)。這種情況下，SPICE誤差控制公式不夠嚴(yán)密，因此結(jié)果會(huì)不準(zhǔn)確。

　　在進(jìn)行SPICE模擬時(shí)，起初以工程估算值進(jìn)行模擬，結(jié)果不太理想。后來，經(jīng)過不斷調(diào)整諧振回路參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在L06=1.4μH、C17= 24pF、C18=39pF、C19=10pF、L07=10μH時(shí)效果最好，其瞬態(tài)分析結(jié)果如圖6所示（在模擬中晶振采用了近似短路模型）。

　　由圖6可知：該振蕩電路在約大于100ns的時(shí)間內(nèi)就能穩(wěn)定地振蕩，完全滿足射頻接收中的預(yù)升起工作時(shí)間的要求；另外,二次諧波的頻率較準(zhǔn)，幅度遠(yuǎn)大于50mV，也能滿足混頻器對(duì)它的要求。

圖6 一本振晶體振蕩器瞬態(tài)分析結(jié)果

二、 實(shí)際電路中的振蕩元器件參數(shù)

　　由以上分析所得的振蕩回路及二倍頻選頻回路元器件參數(shù)運(yùn)用到實(shí)際電路中進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)由于寄生效應(yīng)的影響，這些元器件值并非最好：在確定了電感值的基礎(chǔ)上，通過改變電容值使該電路的二倍頻輸出的頻率為所需頻率，并且其頻譜較純、幅度最大（在無高頻信號(hào)輸入的情況下用多功能綜合測(cè)試儀測(cè)試混頻輸入級(jí)）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)C17=22pF、C16=2.2pF、L06=1.2μH時(shí)，一本振的振蕩頻率為晶體的標(biāo)稱頻率，且二倍頻選頻輸出為100mV 左右的二次諧波頻率的正弦波。所以，在實(shí)際運(yùn)用中射頻接收中的一本振的電路我們選用了如圖1所示的電路。

三、 提高振蕩電路性能指標(biāo)的方法

　　本地振蕩電路的性能直接影響射頻接收電路的總體性能，因此，從電路總體性能的要求出發(fā)，對(duì)本振電路提出的相應(yīng)設(shè)計(jì)要求主要包括振蕩信號(hào)的強(qiáng)度、雜波抑制、頻率準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度等。提高振蕩電路性能指標(biāo)的方法如下：

　　 選用寄生響應(yīng)比較高的泛音晶體。
　　 提高振蕩回路及選頻回路的選擇性。
　　 在使用晶體時(shí)，應(yīng)規(guī)定較大的寄生響應(yīng)電阻比。一般三次泛音晶體應(yīng)大于4∶1。
　　 當(dāng)晶體串聯(lián)諧振頻率ω1偏離回路諧振頻率超過一定數(shù)量時(shí)，振蕩信號(hào)強(qiáng)度變小，且出現(xiàn)畸變，雜波分量加大，這種情況應(yīng)避免。
　　 二倍頻選頻電路的頻率響應(yīng)也是影響振蕩信號(hào)的強(qiáng)度及雜波分量大小的因素。因此，應(yīng)選用高Q值電感，以提高回路增益及減小帶寬。

　　最后，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該振蕩電路起振時(shí)間短、振蕩幅度穩(wěn)定且振蕩頻率可實(shí)現(xiàn)在晶振的標(biāo)稱值附近進(jìn)行微調(diào)，其頻率穩(wěn)定度高且二倍頻回路選頻效果良好，幅度可達(dá)50～100mV，符合混頻器對(duì)本振信號(hào)的功率要求。

參考文獻(xiàn)

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