随着通信技术的快速发展,振荡器的研究、设计和技术得到了很大的发展。为了适应无线寻呼接收机、FM-SCA股票机、PDA等通信产品的小型化,在射频接收电路中一本振采用了石英晶体振荡器电路。 

1.振荡电路的确定    

对振荡电路的选择取决于对工作频率、频率稳定度的要求,同时还要考虑射频接收小型化、低功耗及其他要求。有源晶振电路应设计成结构简单、功耗小、调试方便并且频率可以微调的电路。经过分析,确定采用如图1所示的结构。该电路为电容三点式振荡,是串联式晶体振荡电路。

图1一本振石英晶体振荡电路原理图 

(1)振荡电路原理分析    

图2为图1的交流等效电路,其中C16、C17、L05组成的支路相对于三次泛音晶体的基频开路,在晶体的标称频率振荡时可以不考虑。由于振荡器的输出负载和振荡器之间是弱耦合,故也可以忽略不计。有源贴片晶振工作在串联谐振频率上,且晶振发生串联谐振时,该振荡器电路的正反馈最强,只有这时才能满足振幅条件而使电路起振。一旦晶振工作点偏离串联谐振点,由于晶体的动态电感很大,而R09较小,则等效并联在电感和晶振两端的电阻较小,大大影响了谐振网络的Q值,使电路无法工作。

图2 交流等效电路

在此电路中,电路进入集电结的饱和区而发生饱和限幅失真,集电极电流因此包含丰富的谐波分量,输出负载网络调谐在振荡回路的二次谐波上（L06和晶振支路相对于二次谐波开路）,而有效抑制基波及其余各次谐波。    

此种类型的石英晶体振荡器可以用如图3所示的模型描述,即一个线性时不变网络（LTIN）将振荡器电路分成三部分：一个非线性有源器件、一个基波谐振网络和一个二次谐波网络。

其中,有源器件的电流-电压转移关系可描述为：

由于除了基波和二次谐波外,其他各次谐波没有可以流通的谐振回路,故为简化起见,分析时仅列出这两项（如上式所示）。在本电路中,二倍频选频回路与基波振荡回路之间属弱耦合,且二次谐波分量对振荡回路电流I的影响甚小,故U≈U1。因此,在分析此电路时,可先忽略二倍频选频回路,仅分析基波谐振回路与有源石英晶振形成的网络回路,求出各点的基波电压幅度。由于该电路也会出现集电极饱和,因此集电极-基极电压被限幅,然后由图中基极-发射极电压与集电极各次谐波电流的关系得到集电极二次谐波电流,由此电流与二倍频选频网络组成的回路得出其二次谐波输出电压幅度。

(2)频率稳定度分析    

图4为由交流等效电路图简化后得到的振荡回路中基波回路的交流等效电路图。SPXO晶体振荡器的环路增益可近似表示为AL=gmZL(C2/C1),其中ZL是L、C1、Y1和C2的并联阻抗,而Y1为晶体的等效阻抗,则频率稳定度为：

图4 振荡器的交流简化图    

环路增益的极点有两对共轭解,频率为（式中C为C1与C2的并联电容）,其中频率为ω01的极点位于右半平面,ω02的极点位于左半平面,故频率稳定度为

其中,Q2为晶体的品质因数,Q1为回路的品质因数,Q2 Q1,所以Sf≈2Q2。由式(2)可知,采用上述振荡电路的频率稳定度极高,即振荡电路的振荡频率很稳定,有利于保证有源贴片晶振振荡频率的一致性。    

调整L、C1、C2或由于温度等的变化使L、C1、C2值发生变化时,振荡频率的相对变化率为

式(3)表明：晶体振荡器的频率在由晶振和外部调整网络共同构成的回路中,外部LC网络的Q值应该选择得比较低,才有益于晶体振荡器的频率稳定。

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