【doc】一种压控石英晶体振荡器电路的设计

【doc】一种压控石英晶体振荡器电路的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 一种压控石英晶体振荡器电路的设计 第29卷第1期 2001年1月 华中科技大学 jHuazhongUnlv.otSc-i&Tech . 29No.1 Jan2001 一 种压控石英晶体振荡器电路的设计 陈钊刘三清余岳辉贺小勇 (华中科技大学电子科学与技术系) 摘要: 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了压控石英晶体振荡器(VCXO)的原理设计特点,设计了一个集成的VCXO驱动电路,该部分 电路主要包括一个频率控制电路和一个自动增益控制电路,可以在芯片外部器件的共同作用下对石英晶体 振荡器进行实时额率控制和振幅调整设计的VCXO能输出高稳定度,振幅恒定的时钟信号. 关键词:压控石英晶体振荡器;频率控制;自动增益控制 中图分类号:TN752.2文献标识码:A文章编号:1000—8616(2001)[)10056—03 在现代电子系统中,往往利用振荡器来产生 标准的参考频率,为系统提供一个时钟基准信号. 由于石英晶体具有很高的Q值,其相移随频率的 变化很大,因此,在石英晶体振荡器中,只要有微 小的频率变化,石英晶体振荡器就会产生很大的 相移来补偿电路其他部分引起的相位变化,从而 达到稳定频率的作用.压控石英晶体振荡器 (vcxo)就是利用这种特性进行工作的,通过改 变VCXO两端的电压,实现对频率的线性控制. 对VCXO的基本要求是:频率稳定度好,压控灵 敏度高,控制特性的线性度好,线性区域宽 等l1J本文描述的压控电路利用反馈实现了对 频率的线性控制,同时还设计了振幅反馈(自动 增益控制)电路对振幅进行调整. 1VCXO压控原理 VCXO的主振电路如图l所示,石英晶体谐 图1VCXO主振电路 荡器的标称振荡频率是35.328M卜k振荡电路采 用的是单门晶体振荡器.图1中Ctl与C是由电 压控制的可调电容,在使用中用变容二极管代替: 电阻R1起到偏置反相器的作用,使信号相移 180.,使之工作在线性放大区,晶体谐振器XTAL 与C?和C组成的?形网络产生180.的相移, 从而总相移达到360.,又由于反相器工作在线性 放大区,其电压增益远远大于1,因此满足振荡的 两个基本条件. 变容二极管pn结的结电容c.与加于变容二 极管上的反向偏压v之间的关系为 C=K/(V+),(1) 式中,K为常数;cI,为接触电势差;为变容指 数,与pn结的杂质分布情况有关l1J. 若用反相器的恒流源等效电路代替反相器, 则图1所示的电路就是皮尔斯振荡电路.若不考 虑反相器跨导的相角对频率的影响(实际上,跨 导的相角过大将使振荡器不满足零相位条件,因 而振荡器将振荡在与谐振器无关的其他频率 上[J),并设Cl=C口=,则c1与C相串联 作为晶体谐振器的负载电容c.,即 CL=lll+1/C)=Ci/2.(2) 由谐振条件,令回路总电抗为零,可计算得振 荡频率 ?0}1[Cq/(2C0)][cL/(Co+c)]}, (3) 式中,m0为回路自然谐振频率,m【l=[(C.+C0)/ (LCo)] 由式(1),(3),得 『C1] o【_了J, 可见当减小时,亦相应减小,即振荡频率下 降,反之振荡频率上升. 收藕日期:2/3OO一08-21. 作者简介:胨$,1(1975).男,硕士研究生;武汉,华中科技大学电子科学与技术系 (430074) 第l期陈钊等:一种压控石英晶体振荡器电路的设计 2电路结构 VCXO的原理框图如图2所示,图中各部分 图2VCXO原理图 电路构成完整的反馈回路,能将石英晶体谐振器 产生的振荡信号变成频率稳定,振幅合适的时钟 信号,虚线框内的电路 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示芯片外接的电路.电路 各部分功能与原理分述如下 BIAS.BIAS电路为整个VCXO电路提供一 个稳定的偏置电压,以保证整个电路能稳定工作, 在BIAS电路中包含有自启动电路,以避免零电 流状态,BIAS电路用改进的威尔逊电流镜等构成 反馈回路这个电路能在弱反型阈值电压下工作 以便获得一个低功耗,低电源电压的基准. DAC这是一个8位分辨率的数/模转换器, 其原理图如图3所示.DAC内含16个4位分压 图3DAC原理图 式D/A转换器SUDDAC.信号B7,0]是由 DSP送来的控制信号,经BUFFER缓冲后送出 w[7,0],其中低四位w[3,0]直接送人SUB- DAC作D/A转换,高四位w7,4]经4,16译 码电路产生片选信号以对16个SUB-DAC进行 选择,未被选中的SUB—DAC的分压电阻将全部 接在分压通路上.这样,DAC即可达到16×2= 2的精度. 放大及频率控制电路原理图如图4所示, 图4放大及频率控制电路 接收由I)AC输出的控制信号DAC-0UT,经缓 冲,滤波和比较放大,作用于PMOS管MP及pnp 晶体管TP上,形成受DAC-OUT控制的电压,以 调节压控电容的偏置电压,改变可调电容的大小. DAC-OUT输人到N沟输^CMOS差分放大器 GMl的反相输人端假设某时刻DAC-OUT升高, 则PMOS管MP栅源电压JVOSMP将减小,使得 流经MP及TP的电流减小,压控振荡器的压控 电压随之下降,若压控电容采用二极管电容,则电 容增加,振荡频率下降.反之,若DAC-OUT降低, 则振荡频率上升,从而达到控制频率的目的 时钟产生及振幅控制电路.这部分电路是整 个VCXO中重要的组成部分,它能对振荡信号进 行振幅调整以产生规整的高稳时钟信号电路如 图5所示,由振荡器,自动振幅控制(ACa2)电 路,参考电压产生电路和偏置电路等部分组成 l』ll上lIMsM HE 』M. XTALO{ 一Bc风口对{f.』XTALI'1J 图5时钟产生及振幅控制电路 为防止由于温度,电源,工艺等引起的频率漂因此,本设计采用了自动增益控制电 路.如图4 移,需要对振幅进行调整.当振荡器的增益过大所示,C2,R3和反相放大器(一A1)构 成微分放 时,输出波形将会失真,增益过小,振荡器将停振大器,对从XTALO送人的振荡信号 进行采样,放 华中科技大学2001拒 大,再经由c,R4和c4组成的低通?型滤波器 滤波后,由放大器(一A2)放大,这样,在A点得 到的就是经放大的随振幅变化的电压信号VIA. v接在差分输入电压比较器(它的开环增益很 大)的反相输入端,与同相输入端的参考电压vR 进行比较,比较结果送给M3的栅极,从而控制振 荡放大器M】和M2的增益.当振幅过大时,差分 输入比较器的输出将使得M的栅极电位下降, 等效电阻减小,振荡放大器的增益减小,输出振荡 信号的振幅相应减小;反之,输出振荡信号的振幅 会相应增大.当振荡信号的振幅为某一幅值时,达 到动态平衡,从而实现了对振幅的自动调整 M4,M7及c5,R5和R6构成参考电压产生 电路,其作用是使B点电压保持恒定.M4和M处 于饱和态,而M5和M^处于微饱和态,这两个 PMos管的栅压分别取自D点和c点,电流i为 M6和M7的漏源电流之和,即il=dM, +d,假 设由于电源电压波动导致增大,使得M栅压 升高,M(,的栅源电压lvl将下降,则下 降,从而维持il基本恒定M5栅压取自vD,而 vD基本不受电源电压波动影响,所以,2也是恒 定的,从而B点电压不受电源电压变化的影响 M8右侧的电路构成偏置电路,为整个时钟产 生电路提供偏置电流.电路开始工作时,v使 Ml1偏置到工作电压.其中差分放大器的同相 输入端电压取自源跟随器Mll的输出,反相输入 端的电压是电阻R上的电压,差分放大器的输 出给了由M,Ml2和R7构成的双向输出放大器, 其源极输出至差分放大器的反相输入端,而反相 输出到放大器M.由于差分放大器和双向输出 放大器的反馈作用,可维持电流i的基本恒定, 经M8和M.电流镜像作用后,产生恒定的偏置电 流提供给整个时钟产生电路. 运用TSPICE(TaFinal"tools)对以上提出的 时钟产生及振幅控制电路进行仿真,使用标准的 晶体谐振器模型,从仿真结果可看出该时钟产生 及振幅控制电路能很好地起振,VCXO的输出振 幅基本稳定,基本满足电路的要求.选用了标称频 率为35.328MHz的晶体谐振器模型,频率调整 范围为50xlO,VCXO的输出电流为lmA. 如果能对时钟产生及振幅控制电路作进一步改 进,将使输出的时钟信号的稳定度更好. 参考文献 [1:赵声衡石英晶体振荡器长沙:湖南大学出版社, 1997 —2JVittozEA.[7~grauw/eMGR,BitzS.High performanoeCrystalOscillatorCircuits:Theoryand ApplicationIEEEJSolid-stateCircuits,1988,23 (3):774--783 [3]弗雷金ME.晶体振荡器设计与温度补偿.杜丽冰,詹 汉强译北京:人民邮电出版社.1985 TheCircuitDesignofaVoltage-controlled CrystalOscillator ChertZhaoLiuSanngYuYuehuiHeXiaoymg Abstract:Ageneraltheoryofvoltage— mntrolledcrystaloscillator(VCXO)isdiscu~edAnintegrated VCXOdrivercircuitispresentedwhichcontainsmainlyafrequencymntmlledcircuitandanautomaticgain controlcircuitThisdrivercircuitcanbeusedtotunethefrequencyandregulatetheamplitudeo fcrystal oscillator.TheVCXOcircuitcanputoutclocksignalswithhighstablefrequencyandtheconstant amplitude Keywords:voltage— mntmlledcrystaloscillator(VCXO);frequencymntrol;automaticgainmntml ChertZhaoPostgraduate;Dept.ofElectronicsSCI&Teeh.,HUST,Wuhan43o074,China.