声表面谐振器检测与SAW振荡电路设计
来源：http://www.ftklrm.cn 作者：kangbidz 2012年09月18
如今的科技是越来越发达，很多生产工厂都有自己一套独特的线路设计，都在不断的创新，希望能使原有的零部件性能更精确，体积更小化?？当鹊缱右参锍烧庖荒勘甓恍概?，该公司近期研发一款声表面滤波器的高精度振荡电路，此款产品的推出有效的推进SAW滤波器在市场的主导地位。
声表面( SAW )晶振是一种采用叉指结构的频率选择性很好的器件， 通过精确设计两边的叉指换能器的叉指对数及间距后， 再通过蒸发光刻等工艺制成。声表面谐振器( SAWR ) 是一种高Q 值的谐振器， 在很多方面都与石英晶体谐振器相似。
与声表面波延迟线( SAWDL)振荡器相比， 双端谐振器的传输特性类似于高Q 值延迟线的特性， 但它有以下几个显着特点: 一是谐振器的尺寸很小; 二是谐振器的插损要小得多; 三是谐振器的调频范围比延迟线窄， 但是调频范围增加的同时稳定度会降低。
对于基于谐振型SAW 器件的传感器来说， 基线频率稳定度是最重要的技术指标之一。对于声表面波气体传感器， 声表器件上需加敏感膜， 这样会增加器件的插损， 过大的插损会降低稳定度， 因此SAW滤波器本身的插损不能大。
声表面谐振器也可以根据叉指换能器的对数分为单端谐振器和双端谐振器两种。这两种类型的谐振器各有特点， 单端声表面谐振器振荡电路简单， 元器件少， 频率稳定度好， 相位噪声低， 可实现低电压、低功耗， 但是其波段覆盖系数小， 当超出它的这个范围时将会导致不起振。双端声表面谐振器的优点是容易起振， 如果相移网络选择合适， 可以在很大范围内实现频率调节， 其缺点是这种电路较为复杂， 成本较高。
3 振荡电路的设计
本设计是基于双端声表面谐振器进行的电路设计， 为了使电路既能容易满足振荡条件， 又能达到良好的性能， 采用闭环正反馈放大的振荡电路形式，它包括一个放大电路和一个反馈回路， 电路原理框图如图1所示。本次设计采用的声表面器件型号为RP1308， 中心频率为433. 92MH z， 180 相移的双端谐振型器件。
该电路在谐振点形成单模振荡的条件与其他类型的谐振式传感器类似， 其条件如下:
( 1)相位条件， 即谐振器和环路其他元件引起的总相移为2 的整数倍。
( 2)幅值条件， 即环路增益为1。
( 3)其他谐振模态的抑制， 即在除所需要的谐振模态的其他频率点上， 产生谐振所需要的相位和幅值条件不同时满足。
基于上述条件， 本设计的第一步是选取合适的射频集成电路( RF IC )放大器， 使其参数满足声表面振荡电路的相关要求。这些参数包括放大增益、带宽和最大输入功率等等。选择合适的放大器， 在一定频率范围内， 不同频率的声表面滤波器都可以使用相同的振荡电路， 从而实现振荡。第二步， 设计一个无源LC滤波器把开路增益限制在双端声表面波器件基频附近较窄的频率范围内， 此时双端声表面波器件作为一个元件放置在放大器的反馈电路中。
由于在闭环内建立起振荡应满足相位平衡条件， 因此放大器本身的相位变化也必然要引起输出频率的变化。这种相位变化主要来源于电源电压的变化、温度的变化及元件的老化等。因此闭环放大器应选择其相频特性在振荡器中心频率附近较大范围内保持平坦、使电源电压等因素对频率变化影响最小的类型。此外， 选择低噪声、高增益的放大器尤为重要。另外， 为简化匹配电路的设计， 可以选择输入输出阻抗均为50 的单片放大器。综上考虑， 本次设计所选取的放大器为UPC2748T， 该型号的放大器工作电压为3V、中心工作频率为900MH z， 具有优越的性能， 体积小， 而且价格便宜。
本设计的振荡电路原理图如图2所示， 由放大器U1、L2、L3、R1及声表面波谐振器构成振荡回路，其中L1、C1为放大器供电电压的处理部分， 信号在振荡回路内起振并达到稳定的振荡频率。在振荡环路内， 可调元器件为L2、L3、R1和C2， 因此振荡电路的调试简单快捷， 能够快速的设计好振荡电路。
当L2、L3为39nH， R1为0Ω， C2为1. 5 pF时， 满足电路振荡的条件， 电路实现稳定振荡。
该振荡电路结构简单， 容易起振， 且由于有源器件较少， 因此不会过多引入噪声， 使得振荡电路的稳定性较好。振荡电路的振荡频率由SAW 器件的谐振频率决定， 调节闭环环路元器件， 使振荡回路满足振荡条件， 得到理想的振荡频率。选取合适的匹配电路， 可使得该振荡电路能够在很大范围内实现频率调节。此电路所用元器件较少， 方便实现多路检测通道的设计制作， 能够很好的应用于SAW 传感器阵列系统。
声表面( SAW )晶振是一种采用叉指结构的频率选择性很好的器件， 通过精确设计两边的叉指换能器的叉指对数及间距后， 再通过蒸发光刻等工艺制成。声表面谐振器( SAWR ) 是一种高Q 值的谐振器， 在很多方面都与石英晶体谐振器相似。
与声表面波延迟线( SAWDL)振荡器相比， 双端谐振器的传输特性类似于高Q 值延迟线的特性， 但它有以下几个显着特点: 一是谐振器的尺寸很小; 二是谐振器的插损要小得多; 三是谐振器的调频范围比延迟线窄， 但是调频范围增加的同时稳定度会降低。
对于基于谐振型SAW 器件的传感器来说， 基线频率稳定度是最重要的技术指标之一。对于声表面波气体传感器， 声表器件上需加敏感膜， 这样会增加器件的插损， 过大的插损会降低稳定度， 因此SAW滤波器本身的插损不能大。
声表面谐振器也可以根据叉指换能器的对数分为单端谐振器和双端谐振器两种。这两种类型的谐振器各有特点， 单端声表面谐振器振荡电路简单， 元器件少， 频率稳定度好， 相位噪声低， 可实现低电压、低功耗， 但是其波段覆盖系数小， 当超出它的这个范围时将会导致不起振。双端声表面谐振器的优点是容易起振， 如果相移网络选择合适， 可以在很大范围内实现频率调节， 其缺点是这种电路较为复杂， 成本较高。
3 振荡电路的设计
本设计是基于双端声表面谐振器进行的电路设计， 为了使电路既能容易满足振荡条件， 又能达到良好的性能， 采用闭环正反馈放大的振荡电路形式，它包括一个放大电路和一个反馈回路， 电路原理框图如图1所示。本次设计采用的声表面器件型号为RP1308， 中心频率为433. 92MH z， 180 相移的双端谐振型器件。
该电路在谐振点形成单模振荡的条件与其他类型的谐振式传感器类似， 其条件如下:
( 1)相位条件， 即谐振器和环路其他元件引起的总相移为2 的整数倍。
( 2)幅值条件， 即环路增益为1。
( 3)其他谐振模态的抑制， 即在除所需要的谐振模态的其他频率点上， 产生谐振所需要的相位和幅值条件不同时满足。
基于上述条件， 本设计的第一步是选取合适的射频集成电路( RF IC )放大器， 使其参数满足声表面振荡电路的相关要求。这些参数包括放大增益、带宽和最大输入功率等等。选择合适的放大器， 在一定频率范围内， 不同频率的声表面滤波器都可以使用相同的振荡电路， 从而实现振荡。第二步， 设计一个无源LC滤波器把开路增益限制在双端声表面波器件基频附近较窄的频率范围内， 此时双端声表面波器件作为一个元件放置在放大器的反馈电路中。
由于在闭环内建立起振荡应满足相位平衡条件， 因此放大器本身的相位变化也必然要引起输出频率的变化。这种相位变化主要来源于电源电压的变化、温度的变化及元件的老化等。因此闭环放大器应选择其相频特性在振荡器中心频率附近较大范围内保持平坦、使电源电压等因素对频率变化影响最小的类型。此外， 选择低噪声、高增益的放大器尤为重要。另外， 为简化匹配电路的设计， 可以选择输入输出阻抗均为50 的单片放大器。综上考虑， 本次设计所选取的放大器为UPC2748T， 该型号的放大器工作电压为3V、中心工作频率为900MH z， 具有优越的性能， 体积小， 而且价格便宜。
本设计的振荡电路原理图如图2所示， 由放大器U1、L2、L3、R1及声表面波谐振器构成振荡回路，其中L1、C1为放大器供电电压的处理部分， 信号在振荡回路内起振并达到稳定的振荡频率。在振荡环路内， 可调元器件为L2、L3、R1和C2， 因此振荡电路的调试简单快捷， 能够快速的设计好振荡电路。当L2、L3为39nH， R1为0Ω， C2为1. 5 pF时， 满足电路振荡的条件， 电路实现稳定振荡。
该振荡电路结构简单， 容易起振， 且由于有源器件较少， 因此不会过多引入噪声， 使得振荡电路的稳定性较好。振荡电路的振荡频率由SAW 器件的谐振频率决定， 调节闭环环路元器件， 使振荡回路满足振荡条件， 得到理想的振荡频率。选取合适的匹配电路， 可使得该振荡电路能够在很大范围内实现频率调节。此电路所用元器件较少， 方便实现多路检测通道的设计制作， 能够很好的应用于SAW 传感器阵列系统。
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