一种基于多谐振器的低噪声晶体振荡器及其实现方法

摘要

本发明公开了一种基于多谐振器的低噪声晶体振荡器，主要解决现有晶体振荡器在降低振荡器输出信号的本底相位噪声，产品调试难度加大，不利于批量生产的问题。该晶体振荡器包括与外部稳压供电电源相连的滤波电路，集电极与供电电路相连的晶体管放大器，与晶体管放大器的基极相连的主振选频回路、反馈电容，与反馈电容相连的晶体选频反馈电路，与主振电路且和反馈电容相连的LC并联谐振网络，以及与晶体管放大器相连的晶体滤波电路。本发明能有效提高电路选频特性和电路有载Q值，降低振荡信号近载频段的相位噪声，同时在主振射极输出设置一个高Q晶体选频反馈电路，充分利用晶体谐振器的窄带选频特性，改善远载频段的信号相位噪声指标。

权利要求

1.一种基于多谐振器的低噪声晶体振荡器，其特征在于，包括与外部稳压供电电源相连的滤波电路(1)，集电极与滤波电路(1)相连的晶体管放大器Q300，与晶体管放大器Q300的基极相连的主振选频电路(2)、反馈电容C301，输入端与反馈电容C301另一端相连的晶体选频反馈电路(3)，一端与主振选频电路(2)且另一端与反馈电容C301相连的LC并联谐振网络(4)，以及输入端与晶体管放大器Q300的发射极相连且输出端作为振荡信号输出端的晶体滤波电路(5)；其中，所述晶体选频反馈电路(3)有两个输出端，其中一个输出端与主振选频电路(2)和LC并联谐振网络(4)的公共端相连并接地，另一个输出端与晶体滤波电路(5)的输入端相连；

所述晶体选频反馈电路包括依次串联的石英谐振器Y301、可调电容C303、电感L302、隔直电容C304；其中，石英谐振器Y301的输入端与反馈电容相连，隔直电容C304的自由端与晶体管放大器Q300的发射极相连，石英谐振器Y301的接地端接地；

所述晶体滤波电路包括依次串联的电容C305、电感L303、可调电容C307、石英谐振器Y302；其中，电容C305的自由端与晶体管放大器Q300的发射极相连，石英谐振器Y302的自由端作为振荡信号输出端。

2.根据权利要求1所述的一种基于多谐振器的低噪声晶体振荡器，其特征在于，还包括三个偏置电阻：连接于晶体管放大器的集电极与基极之间的第一偏置电阻R301，并联于主振选频电路两端的第二偏置电路R300，以及一端与晶体管放大器的发射极相连且另一端接地的第三偏置电阻R302。

3.根据权利要求2所述的一种基于多谐振器的低噪声晶体振荡器，其特征在于，所述滤波电路包括一端与晶体管放大器的集电极相连且另一端接地的电容C306，与晶体管放大器的集电极相连的电阻R303，以及一端与电阻R303相连且另一端接地的电容C308；其中，电阻R303与电容C308的公共端与外部稳压供电电源相连。

4.根据权利要求3所述的一种基于多谐振器的低噪声晶体振荡器，其特征在于，所述主振选频电路包括依次串联的电容C300、电感L300、石英谐振器Y300；其中，电容C300的自由端与晶体管放大器的基极相连，石英谐振器Y300的自由端接地。

5.根据权利要求4所述的一种基于多谐振器的低噪声晶体振荡器的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

(S1)利用晶体管电路、主振选频电路、LC并联谐振网络构建电容三点式振荡回路，晶体管电路为振荡回路提供负阻，满足振荡必须的幅度条件；

(S2)调节振荡回路中主振选频电路中的电感、电容值，满足电容三点式振荡回路的振荡必须的相位条件，从而产生主振荡频率信号；

(S3)继续调节振荡回路中主振选频电路中的电感、电容值，满足电容三点式振荡回路的振荡必须的幅度平衡条件和相位平衡条件，产生稳定的振荡信号。

6.根据权利要求5所述的一种基于多谐振器的低噪声晶体振荡器的实现方法，其特征在于，在步骤(S1)中的晶体管负阻电路中接入晶体选频反馈电路，用以实现B模振荡的抑制，提高电路Q值，改善电路信噪比。

说明书

一种基于多谐振器的低噪声晶体振荡器及其实现方法

技术领域

[0001] 本发明涉及石英晶体振荡器技术领域，具体地说，是涉及一种基于多谐振器的低噪声晶体振荡器及其实现方法。

背景技术

[0002] 随着现代通信、雷达技术的不断发展,频率源的相位噪声已成为系统性能的关键指标之一。晶体振荡器作为一种优秀的信号源,为仪器仪表、通信设备、雷达系统等众多电
子设备提供基准频率信号,是仪器仪表、通信设备、雷达系统等关键的核心器件，其相位噪
声指标往往是限制整个电子系统性能的主要因素。

[0003] 如图1所示，当所采用的石英谐振器为泛音晶体的泛音响应波形图，石英谐振器为泛音晶体时降低晶体振荡器相位噪声的手段是尽可能提高电路系统的信噪比，一般采用较
大信号功率激励晶体和提高电路有效Q两种途径。在电路本底噪声一定的情况下，提高晶体
激励功率(如CN201210228232.3)可以有效降低晶体振荡器的相位噪声，但过高的激励可能
会带来振荡器频率随时间的变化(老化特性)变差；也有人在晶振信号输出端添加一个窄带
滤波器(晶体滤波器)在降低振荡器输出信号的本底相位噪声，但附加成本较高，小型化比
较困难，产品调试难度加大，不利于批量生产。

[0004] 目前典型的低噪声振荡器均采用双旋转SC切石英谐振器，相较于其他切型的石英谐振器，SC切石英谐振器具有应力补偿和热瞬变补偿特性，其制成的振荡器具有开机特性
好、老化率小、短稳指标好、抗辐照性能强、抗加速度性能优良、高温工作特性好等优点，因
此应用非常广泛。SC切型石英晶体谐振器振动模式比较复杂，分别有A模振动(厚度伸缩振
动)、B模其振动(厚度扭曲振动)和C模振动(厚度切变振动)(如图2所示)。其中只有C模振动
频率温度曲线是三次曲线，才具有零温度系数点，是我们需要的振动模式。其中A模离C模较
远，设计时可以忽略，但B模振动离C模较近，所以常规LC网络的B模抑制给设计带来比较大
的麻烦，采用高Q窄带晶体谐振器可以彻底解决该问题，提升产品实现效率。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种基于多谐振器的低噪声晶体振荡器及其实现方法，主要解决现有晶体振荡器在降低振荡器输出信号的本底相位噪声，但附加成本较高，小型化
比较困难，产品调试难度加大，不利于批量生产的问题。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

[0007] 一种基于多谐振器的低噪声晶体振荡器的实现方法，包括如下步骤：

[0008] (S1)利用晶体管电路、主振选频电路、LC并联谐振网络构建电容三点式振荡回路，晶体管电路为振荡回路提供负阻，满足振荡必须的幅度条件；

[0009] (S2)调节振荡回路中主振选频电路中的电感、电容值，满足电容三点式振荡回路的振荡必须的相位条件，从而产生主振荡频率信号；

[0010] (S3)继续调节振荡回路中主振选频电路中的电感、电容值，满足电容三点式振荡回路的振荡必须的幅度平衡条件和相位平衡条件，产生稳定的振荡信号。

[0011] 进一步地，在步骤(S1)中的晶体管负阻电路中接入晶体选频反馈电路，用以实现B模振荡的抑制，提高电路Q值，改善电路信噪比。

[0012] 本发明还提供了一种基于多谐振器的低噪声晶体振荡器，包括与外部稳压供电电源相连的滤波电路，集电极与滤波电路相连的晶体管放大器Q300，与晶体管放大器Q300的
基极相连的主振选频电路、反馈电容C301，输入端与反馈电容C301另一端相连的晶体选频
反馈电路，一端与主振选频电路且另一端与反馈电容C301相连的LC并联谐振网络，以及输
入端与晶体管放大器Q300的发射极相连且输出端作为振荡信号输出端的晶体滤波电路；其
中，所述晶体选频反馈电路有两个输出端，其中一个输出端与主振选频电路和LC并联谐振
网络的公共端相连并接地，另一个输出端与晶体滤波电路的输入端相连。

[0013] 进一步地，所述振荡器还包括三个偏置电阻：连接于晶体管放大器的集电极与基极之间的第一偏置电阻R301，并联于主振选频电路两端的第二偏置电路R300，以及一端与
晶体管放大器的发射极相连且另一端接地的第三偏置电阻R302。

[0014] 进一步地，所述滤波电路包括一端与晶体管放大器的集电极相连且另一端接地的电容C306，与与晶体管放大器的集电极相连的电阻R303，以及一端与电阻R303相连且另一
端接地的电容C308；其中，电阻R303与电容C308的公共端与外部稳压供电电源相连。

[0015] 进一步地，所述主振选频电路包括依次串联的电容C300、电感L300、石英谐振器Y300；其中，电容C300的自由端与晶体管放大器的基极相连，石英谐振器Y300的自由端接
地。

[0016] 进一步地，所述晶体选频反馈电路包括依次串联的石英谐振器Y301、可调电容C303、电感L302、隔直电容C304；其中，石英谐振器Y301的输入端与反馈电容相连，隔直电容
C304的自由端与晶体管放大器的发射极相连，石英谐振器Y301的接地端接地。

[0017] 进一步地，所述晶体滤波电路包括依次串联的电容C305、电感L303、可调电容C307、石英谐振器Y302；其中，电容C305的自由端与晶体管放大器的发射极相连，石英谐振
器Y302的自由端作为振荡信号输出端。

[0018] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0019] 本发明提供的极低相位噪声晶体振荡电路，与现有的单一晶体谐振器构成的振荡电路不同，未在主振谐振器上调整频率，未对主振谐振器激励大功率振荡获得低噪声性能，
通过选频反馈晶体谐振器的高品质因素(Q值)来提高电路选频特性和电路有载Q值，降低振
荡信号近载频段的相位噪声，同时在主振射极输出设置一个高Q晶体选频反馈电路，利用晶
体谐振器的窄带选频特性，改善远载频段的信号相位噪声指标。

附图说明

[0020] 图1为现有技术石英晶体谐振器的泛音响应波形示意图。

[0021] 图2为现有技术SC切石英谐振器振动模幅频响应示意图。

[0022] 图3为本发明‑实施例的整体电路原理图。

[0023] 图4为本发明‑实施例接入反馈晶体支路后的负阻的频率响应曲线。

[0024] 图5为本发明‑实施例接入反馈晶体支路后的相位的频率响应曲线。

[0025] 图6为本发明‑实施例实测相噪曲线图。

[0026] 其中，附图标记对应的名称为：

[0027] 1‑滤波电路，2‑主振选频电路，3‑晶体选频反馈电路，4‑LC并联谐振网络，5‑晶体滤波电路。

具体实施方式

[0028] 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。

[0029] 实施例

[0030] 如图3～6所示，本发明实施例所提供的一种基于多谐振器的低噪声晶体振荡器，包括与外部稳压供电电源相连的滤波电路1，集电极与滤波电路1相连的晶体管放大器
Q300，与晶体管放大器Q300的基极相连的主振选频电路2、反馈电容C301，输入端与反馈电
容C301另一端相连的晶体选频反馈电路3，一端与主振选频电路2且另一端与反馈电容C301
相连的LC并联谐振网络4，以及输入端与晶体管放大器Q300的发射极相连且输出端作为振
荡信号输出端的晶体滤波电路5；其中，所述晶体选频反馈电路3有两个输出端，其中一个输
出端与主振选频电路2和LC并联谐振网络4的公共端相连并接地，另一个输出端与晶体滤波
电路5的输入端相连。并且，所述振荡器还包括三个偏置电阻：连接于晶体管放大器的集电
极与基极之间的第一偏置电阻R301，并联于主振选频电路两端的第二偏置电路R300，以及
一端与晶体管放大器的发射极相连且另一端接地的第三偏置电阻R302。

[0031] 所述晶体Y300参与主振荡，产生稳定的振荡信号，实际使用过程中，不在该支路调频，保证主振晶体激励功率的稳定。所述L301、C302组成的LC并联谐振网络谐振频率低于振
荡器振荡频率，高于晶体谐振器低一次泛音，保证振荡在需要的泛音模上。

[0032] 所述Y301晶体谐振器，一端连接在反馈电容C301，另一端通过调频电容C303、调频电感L302和隔直电容C304连接在晶体管Q300的发射极。所述调频电容C303一般选用变容二
极管。

[0033] 所述Y302晶体谐振器，一端通过调频电容C307、调频电感L303和隔直电容C305连接在晶体管Q300的发射极，另一端作为振荡信号输出，后端可接各种类型放大器和滤波器，
以保证输出信号的幅度与谐波等指标。

[0034] 本发明实施例的工作原理如下：

[0035] 工作时，晶体谐振器主振选频电路(C300、L300、Y300)和反馈电容C301、LC并联谐振网络(L301、C302)以及晶体管Q300，构成一个典型的电容三点式振荡电路，晶体谐振器
Y300工作在并联谐振区域，等效为电感，LC并联谐振网络等效为电容特性，保证振荡所需的
相位条件。

[0036] 晶体选频反馈电路(Y301、L302、C304)中晶体Y301工作在串联谐振频率，在振荡频率点表现为纯电阻特性，在电路中起窄带滤波抑制B模振荡的目的，同时也因该晶体陡峭的
选频特性，能提高电路有载Q，改善降低振荡信号近载频端相位噪声。

[0037] 振荡信号通过晶体滤波电路(C305、L303、C307、Y302)输出射频振荡信号，该支路晶体谐振器在信号频率点也等效为电阻特性，主要起窄带滤波作用，进一步抑制信号本底
噪声。

[0038] 在本实施例中，通过可调电容C302、C307来调节振荡器输出频率。

[0039] 该振荡器产生振荡信号的具体方法如下：

[0040] 晶体管Q300、主振选频电路、LC并联谐振网络构成典型的电容三点式振荡电路，产生主振荡频率信号，其中，晶体管Q300为振荡电路提供负阻，使得电容三点式振荡电路达到
振荡必须的幅度条件；通过调整主振选频电路中C300、L300的大小，使得电容三点式振荡电
路达到振荡必须的相位条件；为了使电容三点式振荡电路达到振荡必须的幅度平衡条件和
相位平衡条件，则进一步调整主振选频电路中C300、L300的参数。同时还通过选频反馈晶体
谐振器的高品质因素(Q值)来提高电路选频特性和电路有载Q值，降低振荡信号近载频段的
相位噪声，同时在主振射极输出设置一个高Q晶体谐振器的晶体滤波电路路，利用晶体谐振
器的窄带选频特性，改善远载频段的信号相位噪声指标。

[0041] 在本实施例中，可以使主振荡晶体处于一个稳定的、适宜的激励功率状态，保证产品的长期频率老化性能。同时通过晶体选频反馈电路的超窄带滤波特性、以及晶体滤波电
路，可以得到优良的相位噪声性能。在保长期频率老化的前提下，可以得到‑185dBc/Hz的本
底相位噪声(如图6所示)，对于仪器仪表、通信、雷达系统的性能提高，有重大的工程意义。

[0042] 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。