SAW LC振蕩器原理分析

1. LC正弦波振蕩器的基本結構：

LC正弦波振蕩器是通信電路中很常見的電子線路，它輸出具有固定幅值、頻率和相位的正弦波，一般作為通信用載波或混頻用信號，有多種結構形式。

常用的正弦波振蕩器一般為反饋振蕩器，由一個放大器和一個反饋網絡組成，為維持振蕩要具備所謂奈奎斯特標準（Nyquist‘s criteria）：

a） 由反饋網絡和放大器組成的環路的增益在振蕩頻率處必須大于或等于1。

b） 在振蕩頻率處反饋信號必須與輸入信號同相，即為正反饋。同相一般是由信號相移360度得到，其中180度相移來自放大器的反相，另180度相移則來自選頻反饋網絡。

在RF使用時，一般使用LC選頻反饋網絡（低頻則主要用RC選頻反饋網絡），依據反饋網絡的結構，LC正弦波振蕩器主要有Armstrong、Hartley、Colpitts/Clapp等3種基本類型，可以通過觀察反饋網絡來區分。

Hartley振蕩器國內常稱為電感三點式振蕩器，標志是采用了帶抽頭的電感分壓器，一般是用兩個電感，常用于RF的低端，因為高頻時線繞電感會呈現容性，破壞起振條件。

Colpitts振蕩器國內常稱為電容三點式振蕩器，采用電容分壓器提供反饋，只用一個電感而用兩個電容分壓，使用頻率可達微波（米波）的低端，結構簡單，使用普遍。

Clapp振蕩器是一種改進的電容三點式振蕩器，也采用電容分壓器提供反饋，但L支路串聯了一個小電容C3，可通過調整C3改變振蕩頻率，而不會影響反饋分壓比，常用于可變頻率場合。

2. 石英晶體諧振器：

使用LC回路的正弦波振蕩器，其振蕩頻率由元件值決定，但元件值會因外部的溫度等因素而改變，從而造成頻率的漂移。為保持振蕩器的頻率穩定，最常用的辦法就是使用晶體穩頻。

最常用的晶體材料是石英，是Si的氧化物的單晶，具有壓電效應，即加上電壓可使其表面產生位移，也可因位移而產生電壓。把石英制成薄片，并在兩面接電極，就組成石英晶體諧振器，它具有固有的機械諧振頻率，且Q值高達10000以上，這種頻率與晶體厚度和切割方向等因素有關，而受溫度影響很小。

石英晶體諧振器，最低可工作在1kHz，常用在0.6到20MHz范圍內，這是指基本頻率（基頻），頻率再高則因晶片太薄而易碎。在更高頻率應用時，都取基頻的奇次諧波，稱為泛音（over tone），9次泛音的晶體工作頻率可達200MHz，已到極限，但實用一般多為3次、5次泛音晶體。

石英晶體的常用等效電路：

其中：Cp為晶片2端電極與石英介質組成的電容，一般在3--8p之間，是一個靜態參數

Ls與Cs諧振于晶體的串聯諧振頻率，Rs為與損耗有關的電阻，這三者為動態參數

正規廠商資料都提供石英晶體諧振器的等效電路參數值，圖中提供的是典型值。

3. 晶體穩頻的正弦波振蕩器的主要形式：

3.1 Pierce晶體振蕩器：是一種適用晶體較廣的串聯諧振模式。

3.2 串聯模式振蕩器：是源于LC振蕩器的形式，此時晶體工作于串聯諧振頻率，在此頻率點晶體相當于小電阻，所以可以用較大電容與小電阻代替晶體接入電路來調試，這時電路仍工作于諧振頻率點附近。

3.3 并聯模式振蕩器：也是源于LC振蕩器，工作頻率實際介于串聯諧振頻率和并聯諧振頻率之間，更接近于并聯諧振頻率，此時晶體呈現的阻抗為感抗，可看作電感來分析電路。這種電路需要較高的輸入阻抗，所以常用FET作為有源元件。

4. 聲表面波器件SAW：

石英晶體諧振器的最高工作頻率只能到200MHz，要想在更高的頻率工作，就要用復雜的PLL電路，也可以使用廉價的聲表面波器件SAW（Surface Acoustic Wave）。

SAW器件的基材也要有壓電效應特性，一般用ST切割石英、鋰鉭或鋰鈮陶瓷、砷化鎵等。當電信號通過電極加到基材上，因壓電效應而產生機械振動聲波，聲波在基材表面傳播，在附近電極處因壓電效應又轉變為相同的電信號。SAW器件有諧振器、濾波器、雙工器、解調器等多種用途，與相應的石英晶體器件的某些特性近似，但是插入損耗明顯較大，這里主要介紹諧振器。

目前能生產SAW器件的主要是國外廠商，如EPCOS（愛普科斯）、MURATA（日本村田）、RF Monolithics、Epson、Kyocera（AVX） 等，***、香港和內地的一些廠商也在仿制國外的一些系列，比如德鍵（TOKEN）、佳朗（Caltron Devices）、惠貽華普（Hope Microelectronics）、好達（Shoulder Electronics）、魯光（LUGUANG）、華晶達等，諧振器是其中仿制較多的。

單端口SAW諧振器的等效電路：

其中：Lm與Cm諧振于SAW的串聯諧振頻率，Rm為與損耗有關的電阻，這三者為動態參數

Co為SAW兩端電極間的靜態電容，一般Cg1=Cg2=0.5p，Co=Cp+Cg/2

無負載Q值一般在10000以上，50歐姆負載下Q值一般也能到2000。常見的433.92MHz的等效電路參數為：

雙端口SAW諧振器的等效電路：

常見的雙端口SAW諧振器的等效電路參數為：

5. 使用單端口SAW諧振器的正弦波振蕩器分析：用于600MHz以下

電路結構明顯類似晶體穩頻的Colpitts振蕩器，可以用反饋振蕩器的分析方法，這里給出的是另一種分析法--負阻分析法。

用參考面把電路分為無源部分和有源部分，有源部分的阻抗為Re{Zia}+jIm{Zia}，無源部分阻抗為Re{Zip}+jIm{Zip}

起振條件：Re{Zia}+Re{Zip}《0

Im{Zia}+Im{Zip}=0

這樣Re{Zia}必須為負，所以稱為負阻振蕩器，SAW要工作于串聯諧振頻率上。

計算得到的振蕩頻率fp如圖示，實際頻率比計算頻率略低。

其中：L一般阻抗為j60 Ohm（當使用環形天線時約為j90～j100）

反饋系數C1/C2選取3～6

耦合電容Cb約47p～220pF

選用的三極管的截止頻率ft要至少為3到5倍振蕩頻率，大些易于起振

6. 實用的433MHz振蕩器：

433.92MHz的是無線遙控方面經常要使用的ISM頻段，特別是用于汽車鎖。查SAW諧振器的資料，上面一般都提供了典型應用電路，但更多是理論電路，EPCOS公司的資料提供了較實用的應用電路：

這種電路在ASK（OOK）應用時，最大調制率可到2.5kHz（5kb/s NRZ），振蕩器瞬態時間30us，在3.6V電源電壓時電流為3.5mA。圖中三極管型號為歐洲型號，不太容易尋到，也可選擇參數接近的日本型號的三極管，國內較多。

其中C1、C2、C6、L1、天線L3決定振蕩頻率，L2、C6為諧波抑制和天線匹配使用。我曾實際使用并調試過此種結構電路，遙控距離超15米，在諧波抑制方面有良好特性，而且所用元件少，調試得當則很容易達到FCC PART15要求的諧波低于基頻20dB的要求。

433.92MHz的無線遙控一般使用PCB天線，簡單、廉價而且堅固耐用，但因為PCB面積往往受限，常常需要選擇特別的PCB天線形式，這就需要根據實際來適當調整元件值。調試是很花時間和精力的工作，特別是在RF應用時，因為分布參數的影響，PCB布局會影響電路工作狀態，器件值也就需要做相應改變。

調試時，一般是先用47歐姆電阻來代替SAW，測試電路的自由振蕩頻率，然后調整元件值使頻率盡量接近SAW的諧振頻率，當一切參數測試好以后焊回SAW就能正常工作。這種技巧很重要，不然就無法知道怎樣調整元器件值，只能撞大運。

7. 使用雙端口SAW諧振器的振蕩器：用于500MHz～1GHz

電路結構類似晶體的Pierce振蕩器，工作于串聯諧振頻率。框圖：

起振條件：增益 G=“a”+b》1

相位 P=“P1”+P2+P3+P4=nX360度

電路圖：

SAW內部電容也是Cp1和Cp3的一部分，依靠PCB可去掉一部分電容。

仿真時使用三極管的S參數和SAW的等效電路（最好使用L、C、R的高頻等效電路），測量S11和Z1。

起振條件：Mag［S11］》1 @fp

Ang［S11］=0 @fp