用于气体检测的声表面波振荡电路设计

1  引  言

近年来， 声表面波气体传感器发展迅速， 应用于多个领域， 具有良好的发展前景。由于SAW 传感器具有尺寸小、价格低、精度高、灵敏度高及分辨率高等优点， 因此产生了由声表面波器件、敏感薄膜和相关检测电路组成的SAW 气体传感器。敏感薄膜在吸附气体的过程中， 被测气体导致的应力作用于声表面波传输路径中的介质， 使其动力学特性发生改变， 进而改变声表面波器件的谐振频率。与之配套的检测电路测试出这个改变量， 从而得到待测气体的相关特性， 而检测电路的相关性能直接影响整个传感器的精度和准确度等技术指标。因此， 电路的设计在SAW 气体传感器中是一个至关重要的环节。

声表面波( SAW )振荡器利用声表面波谐振器或延迟线作为稳频元件而构成。声表面波器件通常采用性能稳定的单晶石英材料制作， 输出的频率非常稳定。声表面波振荡器基频工作频率高， 使用范围可高至2000MH z， 与传统的采用较低频率的体声波振荡器不同， 具有重量轻、体积小、功耗小、成本低、可靠性增加等优点。

声表面波振荡器作为声表面波传感器的敏感元件， 其频率稳定度直接影响着传感器的分辨率、稳定性和测试精度， 其振荡频率取决于反馈回路相位为零时的条件。因此声表面波振荡器频率稳定度的提高有助于进一步改进传感器的性能指标。

2  声表面波谐振器

声表面波( SAW )器件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。声表面波谐振器( 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器件本身的插损不能大。

声表面波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， 单端声表面波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。双端声表面波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波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波器件型号为RP1308， 中心频率为433. 92MH z， 180 相移的双端谐振型器件。

                  图1  振荡电路示意图

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波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， 不同频率的声表面波器件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。

                  图2  正反馈放大振荡电路原理图。

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。

4.. 测试结果与分析

整个电路设计调试完成后， 通过示波器记录测试数据， 当声表面波器件为当初设计调试所选用的RP1308型时， 测量所得的频率图如图3所示。当选用型号为B433、中心频率为433. 9MHz、180..相移的双端谐振型器件时， 同样能得到良好的性能， 其测试频率图如图4所示。可以看出， 它们的谐振频率均为433. 9MH z， 达到了预期的目标。

          图3 基于RP1308型谐振器的电路测试图。

              图4 基于B433型谐振器的电路测试图。

本设计的电路不但能应用于433MH z的双端谐振型器件， 而且还能用于其它频率的同类型器件。

本电路也具有良好的稳定性， 调试结果表明， 所设计电路的频率跳变能够稳定在30H z以内。

              图5  基于Q284型谐振器的电路测试图。

5  结束语

本文设计的电路结构简单， 体积小， 功耗低， 具有良好的性能， 能够广泛应用于多种基于双端谐振型器件的声表面波气体传感器。测试表明， 该电路具有较高的稳定性， 对于不同谐振频率的双端声表面波谐振型器件， 都能应用， 大大降低了制作SAW传感器的成本。