OOSSCCIILLLLAATTOORR DDEESSIIGGNN TTEECCHHNNIIQQUUEESS AALLLLOOWWHHIIGGHH FFRREEQQUUEENNCCYY AAPPPPLLIICCAATTIIOONNSS OOFFIINNVVEERRTTEEDD MMEESSAA RREESSOONNAATTOORRSS

BByy KKuurrtt WWeesssseennddoorrffSSaannddiiaa NNaattiioonnaall LLaabboorraattoorriieessAAllbbuuqquueerrqquuee,, NNeeww MMeexxiiccoo

TToomm PPaayynneePPrreessiiddeennttAAvvaannccee TTeecchhnnoollooggyyCCeeddaarr CCiittyy,, UUttaahh

BByy uussiinngg iinnvveerrtteedd--mmeessaa tteecchhnniiqquueess ttoosseelleeccttiivveellyy tthhiinn tthhee rreessoonnaattoorr,, tthhee pprraaccttiiccaalluuppppeerr ffrreeqquueennccyy rraannggee ooff bbuullkk wwaavvee ccrryyssttaalloosscciillllaattoorrss hhaass rriisseenn ddrraammaattiiccaallllyy oovveerr tthhee ppaassttsseevveerraall yyeeaarrss.. AA nneeww tteecchhnnoollooggyy ccaalllleedd TTaabb--mmeessaa TTeecchhnnoollooggyy ((TTmmTT)) hhaass ppaavveedd tthhee wwaayy ffoorrnneeww ddeessiiggnn aapppprrooaacchheess iinn tteelleeccoommmmuunniiccaattiioonnssaapppplliiccaattiioonnss iinncclluuddiinngg ssmmaallll,, ppoorrttaabbllee hhiigghh--ffrreeqquueennccyy eeqquuiippmmeenntt ssuucchh aass ppaaggeerrss,, cceelllluullaarrtteelleepphhoonneess,, kkeeyylleessss eennttrryy aanndd ootthheerr wwiirreelleessssccoommmmuunniiccaattiioonnss ssyysstteemmss.. MMaannyy ddeessiiggnneerrsshhaavvee sshhiieedd aawwaayy ffrroomm tthheessee nneeww ddeevviicceessbbeeccaauussee ooff tthhee llaacckk ooff ssttaannddaarrddiizzeedd ddeessiiggnnpprraaccttiicceess.. FFoorrttuunnaatteellyy,, aass tthhiiss aarrttiiccllee wwiillllddeemmoonnssttrraattee,, mmaannyy ccllaassssiicc bbuullkk wwaavvee ddeessiiggnnssccaann bbee aaddaapptteedd ttoo hhiigghh ffrreeqquueennccyy ooppeerraattiioonnwwhheenn tthhee nneeww ccrryyssttaallss aarree uusseedd iinn tthheeffuunnddaammeennttaall mmooddee..

MMoosstt eexxiissttiinngg hhiigghh--ffrreeqquueennccyy eeqquuiippmmeenntt iissbbuuiilltt aarroouunndd ssuurrffaaccee aaccoouussttiicc wwaavvee ((SSAAWW))rreessoonnaattoorrss.. TThhee SSAAWW rreessoonnaattoorr ccoonnssiissttss ooffttwwoo ttrraannssdduucceerrss wwiitthh aarrrraayyss ooff ffiinnee mmeettaalleelleeccttrrooddeess ddeeppoossiitteedd oonn aa hhiigghhllyy ppoolliisshheeddppiieezzooeelleeccttrriicc ssuubbssttrraattee ssuucchh aass qquuaarrttzz oorr

lliitthhiiuumm nniioobbaattee.. TThhee aarrrraayyss aarree ccoommpprriisseedd ooffeelleeccttrrooddeess tthhaatt aalltteerrnnaattee ppoollaarriittiieess.. WWhheenn aannRRFF ssiiggnnaall vvoollttaaggee ooff tthhee pprrooppeerr ffrreeqquueennccyy iissaapppplliieedd aaccrroossss tthheemm,, tthhee ssuurrffaaccee ooff tthhee ccrryyssttaalleexxppaannddss aanndd ccoonnttrraaccttss,, ggeenneerraattiinngg aaddiissppllaacceemmeenntt wwaavvee oonn tthhee ssuurrffaaccee ooff tthheeccrryyssttaall..

TTmmTT BBuullkk AAccoouussttiicc WWaavvee RReessoonnaattoorrMMooddeell

BBuullkk aaccoouussttiicc wwaavvee ((BBAAWW)) rreessoonnaattoorrssooppeerraattee oonn eennttiirreellyy ddiiffffeerreenntt pprriinncciipplleess.. TThheeddiissppllaacceemmeenntt wwaavvee pprroodduucceess aa rreessoonnaattiinnggvviibbrraattiioonn wwhhiicchh ttrraavveellss tthhrroouugghh tthhee ccrryyssttaall.. TThheeccrryyssttaallllooggrraapphhiicc oorriieennttaattiioonn uusseedd iinnmmaannuuffaaccttuurriinngg BBAAWW ddeevviicceess iiss ccrruucciiaall ttoo tthheeiirrppeerrffoorrmmaannccee cchhaarraacctteerriissttiiccss.. FFoorr aapppplliiccaattiioonnssiinn tthhee MMeeggaahheerrttzz rraannggee,, tthhee AATT--ccuutt iiss tthhee mmoossttccoommmmoonn oorriieennttaattiioonn bbeeccaauussee ooff iittss rreellaattiivveellyyllooww tteemmppeerraattuurree ccooeeffffiicciieennttss.. FFiigguurree 11 iiss tthheeeelleeccttrriiccaall eeqquuiivvaalleenntt mmooddeell ooff tthhee AATT--CCuuttrreessoonnaattoorr.. TThhiiss mmooddeell sshhoowwss oonnllyy tthheeffuunnddaammeennttaall aanndd tthhee ffiirrsstt ttwwoo oovveerrttoonneess ooff tthheerreessoonnaattoorr.. AAllssoo,, nnoott sshhoowwnn iinn tthhiiss mmooddeell,, aarreetthhee ssppuurriioouuss mmooddeess tthhaatt ccaann eexxiisstt.. TThheesseemmooddeess aarree pprroocceessss ddrriivveenn aanndd ccaann bbee kkeeppttrreellaattiivveellyy lloossssyy iinn aa wweellll ddeessiiggnneedd aannddffaabbrriiccaatteedd rreessoonnaattoorr.. CC00 iiss tthhee ssttaattiiccccaappaacciittaannccee ooff tthhee rreessoonnaattoorr wwhhiicchh iiss iinnppaarraalllleell wwiitthh tthhee mmoottiioonnaall aarrmmss ((CCmm,, LLmm aanndd RRmm))wwhhiicchh aarree aa ffuunnccttiioonn ooff tthhee ppiieezzooeelleeccttrriiccpprrooppeerrttiieess ooff tthhee qquuaarrttzz..

SSaaRRoonniixx//SSaannddiiaa NNaattiioonnaall LLaabboorraattoorriieess//PPaaggee 22

FFiigguurree 11.. AATT--CCuutt RReessoonnaattoorr MMooddeell

FFiigguurree 22 ggrraapphhiiccaallllyy iilllluussttrraatteess tthheerreessoonnaattoorr’’ss rreeaaccttiivvee iimmppeeddaannccee,, XXee,, vveerrssuussffrreeqquueennccyy [[11]].. ((TThhiiss ggrraapphh iiss nnoott ddrraawwnn ttoossccaallee))..

FFiigguurree 22.. RReessoonnaattoorr RReeaaccttiivvee IImmppeeddaannccee vvss.. FFrreeqquueennccyy

TTyyppiiccaallllyy aann oosscciillllaattoorr wwiillll bbee uussiinngg tthheerreessoonnaattoorr iinn tthhee iinndduuccttiivvee rreeggiioonn,, oorr aass aarreessiissttiivvee eelleemmeenntt vveerryy nneeaarr ffss.. TThhee ffuunnddaammeennttaallrreessoonnaanntt ffrreeqquueennccyy ooff tthhee AATT--ccuutt ccrryyssttaallssggeenneerraallllyy ssppeecciiffiieedd ttooddaayy iiss 11--3300 MMHHzz.. IInn AATT--ccuutt ccrryyssttaallss,, tthhee tthhiicckknneessss ooff tthhee ccrryyssttaall wwaaffeerrddeetteerrmmiinneess tthhee ffrreeqquueennccyy––tthhee tthhiinnnneerr tthhee wwaaffeerrtthhee hhiigghheerr tthhee ffrreeqquueennccyy.. UUnnffoorrttuunnaatteellyy,, tthhiinnwwaaffeerrss aarree vveerryy ffrraaggiillee aanndd ddiiffffiiccuulltt ttoo hhaannddlleewwiitthhoouutt bbrreeaakkaaggee,, lliimmiittiinngg tthhee ffuunnddaammeennttaallffrreeqquueennccyy ooff tthheessee ddeevviicceess.. TThhee AATT--ccuuttrreessoonnaattoorr ccaann aallssoo bbee ooppeerraatteedd oonn ooddddmmeecchhaanniiccaall oovveerrttoonneess ooff tthhee ffuunnddaammeennttaallffrreeqquueennccyy,, ggeenneerraallllyy tthhee tthhiirrdd aanndd ffiifftthh.. TThheesseeoovveerrttoonneess aarree hhiigghheerr QQ tthhaann tthhee ffuunnddaammeennttaallaanndd ddeemmoonnssttrraattee ssuuppeerriioorr aaggiinnggcchhaarraacctteerriissttiiccss..

UUssiinngg iinnvveerrtteedd mmeessaa tteecchhnnoollooggyy,, ccrryyssttaallssccaann nnooww bbee pprroodduucceedd iinn tthhee ffuunnddaammeennttaallffrreeqquueennccyy rraannggee ooff 4400 MMHHzz ttoo 220000 MMHHzz wwiitthhoovveerrttoonneess ttoo 660000 MMHHzz.. TThhee iinnvveerrtteedd mmeessaapprroocceessss uusseess cchheemmiiccaall eettcchhiinngg ttoo rreedduuccee tthheetthhiicckknneessss ooff tthhee qquuaarrttzz iinn tthhee cceenntteerr rreeggiioonn oofftthhee bbllaannkk,, lleeaavviinngg aa tthhiicckkeerr oouutteerr rriinngg ffoorr aaddddeeddccrryyssttaall ssttrreennggtthh.. IInnvveerrtteedd mmeessaa tteecchhnnoollooggyyppeerrmmiittss hhiigghheerr ffrreeqquueenncciieess tthhaann wweerreepprreevviioouussllyy ppoossssiibbllee wwiitthh ffllaatt AATT qquuaarrttzz ccrryyssttaallss..TThhee ttiinnyy ggeeoommeettrryy ooff tthheessee rreessoonnaattoorrss aallssoommiinniimmiizzeess tthhee ssttaattiicc ccaappaacciittaannccee ((CC00)) ooff tthheeddeevviicceess wwhhiicchh aalllloowwss ffoorr hhiigghheerr llooaaddeedd QQss aatthhiigghh ffrreeqquueenncciieess.. HHoowweevveerr,, tthhee uussee ooff iinnvveerrtteeddmmeessaa ccrryyssttaallss hhaass bbeeeenn lliimmiitteedd bbyy tthheeiirr hhiigghhccoosstt aanndd tthhee ddiiffffiiccuullttiieess aassssoocciiaatteedd wwiitthh vvoolluummeepprroodduuccttiioonn..

TTmmTT iinnvvoollvveess bbaattcchh pprroocceessssiinngg ccrryyssttaallssuussiinngg pphhoottoolliitthhooggrraapphhiicc tteecchhnniiqquueess ssiimmiillaarr ttootthhoossee uusseedd iinn sseemmiiccoonndduuccttoorr pprroocceessssiinngg.. IInn aapprroocceessss ddeevveellooppeedd bbyy AAvvaannccee TTeecchhnnoollooggyy,, aaSSaaRRoonniixx ccoommppaannyy llooccaatteedd iinn CCeeddaarr CCiittyy,, UUttaahh,,oonnee bbyy ttwwoo iinncchh qquuaarrttzz wwaaffeerrss aarree llaappppeedd aannddppoolliisshheedd ttoo aapppprrooxxiimmaatteellyy 33 mmiill tthhiicckknneessss.. 113300iinnddiivviidduuaall rreessoonnaattoorrss aapppprrooxxiimmaatteellyy 5500 bbyy 117700mmiill iinn ssiizzee aarree ffoorrmmeedd pphhoottoolliitthhooggrraapphhiiccaallllyy oonneeaacchh wwaaffeerr wwiitthh tthhee rreessoonnaattiinngg rreeggiioonn eettcchheeddddoowwnn ttoo 00..55 mmiill oorr lleessss ddeeppeennddiinngg oonn tthheeddeessiirreedd ffrreeqquueennccyy.. CCaalliibbrraattiioonn ttoo tthhee eexxaaccttffrreeqquueennccyy iiss aaccccoommpplliisshheedd bbyy eevvaappoorraattiinngg aatthhiinn ggoolldd llaayyeerr oonnttoo tthhee rreessoonnaattiinngg rreeggiioonn.. TThheeiinnddiivviidduuaall rreessoonnaattoorrss aarree aattttaacchheedd aatt tthheeiirrssuuppppoorrttiinngg 33 mmiill eenndd oonnttoo hheeaaddeerrss uussiinnggccoonndduuccttiivvee eeppooxxyy aanndd tthheenn hheerrmmeettiiccaallllyy sseeaalleeddiinnttoo aa ccyylliinnddrriiccaall mmeettaall oorr rreeccttaanngguullaarr cceerraammiicceenncclloossuurree..

TThhiiss mmaannuuffaaccttuurriinngg tteecchhnnoollooggyy mmaakkeessvvoolluummee pprroodduuccttiioonn ooff ccoonnssiisstteenntt qquuaalliittyy,, hhiigghhffrreeqquueennccyy ccrryyssttaallss ppoossssiibbllee.. TThhee tthhiinnrreessoonnaattiinngg rreeggiioonn ooff TTmmTT ccrryyssttaallss iissccaannttiilleevveerreedd ffrroomm aa tthhiicckkeerr bbaassee,, eennaabblliinngg aammuucchh ssmmaalllleerr ccrryyssttaall ddeessiiggnn.. TThhee iinnhheerreennttssmmaallll ssiizzee ooff tthheessee uunniiqquuee ccrryyssttaallss mmaakkeess iittppoossssiibbllee ttoo ppaacckkaaggee tthhee mmiinniiaattuurree ddeevviicceess iinn 22mmmm bbyy 55 mmmm ttuubbuullaarr ccaassiinnggss ssiimmiillaarr ttoo tthhoosseeuusseedd iinn tthhee wwaattcchh ccrryyssttaall iinndduussttrryy.. WWhheennmmoouunntteedd iinn aa ccoonnvveennttiioonnaall hhyybbrriidd oosscciillllaattoorrcciirrccuuiitt,, tthhee TTmmTT ccrryyssttaall iiss hheerrmmeettiiccaallllyy sseeaalleedd iinniittss oowwnn eenncclloossuurree.. TThhiiss eelliimmiinnaatteess tthhee mmoossttccoommmmoonn ssoouurrcceess ooff ccrryyssttaall ffaaiilluurree iinn hhyybbrriidd

SSaaRRoonniixx//SSaannddiiaa NNaattiioonnaall LLaabboorraattoorriieess//PPaaggee 33

oosscciillllaattoorrss––bbllaannkk ffrraaccttuurreess aanndd ccoonnttaammiinnaattiioonn..TThhee llooww mmaassss ooff qquuaarrttzz bbllaannkkss mmoouunntteedd iinnssmmaallll,, sseeaalleedd mmeettaall oorr cceerraammiicc ppaacckkaaggeessrreessuullttss iinn rruuggggeedd ccoommppoonneennttss tthhaatt aarree mmuucchhlleessss ssuusscceeppttiibbllee ttoo sshhoocckk,, vviibbrraattiioonn aannddhhaannddlliinngg ddaammaaggee.. TThheessee ddeevviicceess pprroovviiddee aannaattttrraaccttiivvee aalltteerrnnaattiivvee ttoo SSAAWW ddeevviicceess iinn mmaannyyaapppplliiccaattiioonnss..

HHiigghh--FFrreeqquueennccyy OOsscciillllaattoorr DDeessiiggnnss

TTrraaddiittiioonnaall 22--ppoorrtt SSAAWW oosscciillllaattoorr ddeessiiggnnssaarree bbaasseedd uuppoonn aa 5500ΩΩ ggaaiinn bblloocckk,, FFiigguurree 33..TThhee ppoowweerr eeffffiicciieennccyy aanndd mmiinniimmuumm ooppeerraattiinnggppoowweerr ooff tthhiiss ttyyppee ooff ddeessiiggnn iiss lliimmiitteedd bbyy tthheeggaaiinn bblloocckk ((aammpplliiffiieerr)) aanndd tthhee llooww iimmppeeddaanncceesspplliitttteerr.. SSiinnccee tthhee ggaaiinn bblloocckkss ttyyppiiccaallllyy uusseesshhuunntt ffeeeeddbbaacckk ffoorr mmaattcchhiinngg,, rreellaattiivveellyy llaarrggeebbiiaass ccuurrrreennttss ((tteennss ooff mmiilllliiaammppss)) aarree rreeqquuiirreedd ttooaacchhiieevvee tthhee ggaaiinn rreeqquuiirreedd ttoo ddrriivvee tthhee lloowwiimmppeeddaannccee SSAAWW aanndd sspplliitttteerr.. IInn mmaannyy ddeessiiggnnssmmiilllliiaammpp oorr ssuubb--mmiilllliiaammpp ccuurrrreennttss mmaayy bbeeddeessiirreedd ttoo mmeeeett aa llooww oovveerraallll ccuurrrreenntt ((tthhuussppoowweerr)) bbuuddggeett ooff aa ssyysstteemm..

FFiigguurree 33.. TTwwoo--PPoorrtt SSAAWW OOsscciillllaattoorr CCiirrccuuiitt

OOnnee--ppoorrtt ((nneeggaattiivvee rreessiissttaannccee)) oosscciillllaattoorrssccaann ooffffeerr ggrreeaatteerr ddeessiiggnn fflleexxiibbiilliittyy tthhaann 22--ppoorrttddeessiiggnnss.. TThhee cchhiieeff aaddvvaannttaaggee iiss tthhaatt tthhee cciirrccuuiittccaann bbee ddeessiiggnneedd ttoo ooppttiimmiizzee tthhee ccuurrrreenntt uusseeddiinn tthhee oosscciillllaattoorr ttrraannssiissttoorr ffoorr tthhee oosscciillllaattoorrccoonnffiigguurraattiioonn cchhoosseenn.. AAllssoo oonnee ccaann mmoorreeooppttiimmaallllyy mmaattcchh aa ttrraannssiissttoorr ttoo tthhee llooaadd vviiaa llooww--bbaannddwwiiddtthh,, rreeaaccttiivvee nneettwwoorrkkss tthhaann vviiaa rreessiissttiivveesshhuunntt ffeeeeddbbaacckk.. IInn aa oonnee--ppoorrtt ddeessiiggnn,, tthheeoosscciillllaattoorr iittsseellff mmaayy bbee ppaarrtt ooff tthhee mmaattcchhiinnggssttrruuccttuurree wwhhiicchh aallssoo ssiimmpplliiffiieess tthhee ddeessiiggnn..AAlltthhoouugghh oovveerraallll eeffffiicciieennccyy ((ηη)) ooff aannyy oosscciillllaattoorr

ddeessiiggnn ddeeppeennddss oonn aa wwiiddee rraannggee ooff vvaarriiaabblleess,,ttyyppiiccaallllyy aa oonnee--ppoorrtt BBAAWW oosscciillllaattoorr ccaann bbeemmaannyy ttiimmeess mmoorree eeffffiicciieenntt aanndd rruunn aatt lloowweerroovveerraallll ccuurrrreennttss tthhaann aa 22--ppoorrtt SSAAWW bbaasseeddddeessiiggnn.. TThhee cciirrccuuiittss pprreesseenntteedd hheerree ccaannpprroodduuccee 00 ddBBmm oouuttppuuttss wwiitthh ccuurrrreennttss ffrroomm 33mmAA ttoo 55 mmAA aanndd uusseeffuull oouuttppuuttss ((--1100 ddBBmm)) wwiitthhaass lliittttllee aass 00..66 mmAA ooff ddcc ccuurrrreenntt.. HHiigghh--ppoowweerr((1155 ddBBmm)) llooww ccuurrrreenntt ((1111 mmAA)) ddeessiiggnnss wwhhiicchhaarree ddeemmoonnssttrraattiinngg >>6600%% ppoowweerr eeffffiicciieennccyy aattffrreeqquueenncciieess ttoo 220000 MMHHzz uussiinngg tthheessee nneewwrreessoonnaattoorrss aarree iinn ddeevveellooppmmeenntt∗∗.. AAnnootthheerrddiissttiinncctt ddiiffffeerreennccee bbeettwweeeenn SSAAWW ddeevviicceess aannddBBAAWW ((AATT--ccuutt)) ddeevviicceess iiss tthhee ffrreeqquueennccyy vveerrssuusstteemmppeerraattuurree rreessppoonnssee.. FFiigguurree 44 aanndd FFiigguurree 55aarree tthhee tteemmppeerraattuurree rreessppoonnssee ccuurrvveessrreessppeeccttiivveellyy ffoorr tthhee SSAAWW aanndd BBAAWW ddeevviicceess..

FFiigguurree 44.. FFrreeqquueennccyy vvss.. TTeemmppeerraattuurree ooff SSAAWW DDeevviiccee [[22]]

FFiigguurree 55.. FFrreeqquueennccyy vvss.. TTeemmppeerraattuurree CCuurrvveess ffoorr AATT--CCuuttRReessoonnaattoorr [[33]]

SSaaRRoonniixx//SSaannddiiaa NNaattiioonnaall LLaabboorraattoorriieess//PPaaggee 44

TThhee AATT--ccuutt rreessoonnaattoorr tteemmppeerraattuurreerreessppoonnssee iiss aapppprrooxxiimmaatteellyy tthhrreeee ttiimmeess lleesssstthhaann tthhee ttyyppiiccaall SSAAWW tteemmppeerraattuurree rreessppoonnssee..BByy ccaarreeffuull sseelleeccttiioonn ooff ccrryyssttaall aannggllee oonnee ccaannoobbttaaiinn aann AATT rreessoonnaattoorr wwiitthh tteemmppeerraattuurreevvaarriiaattiioonnss ooff lleessss tthhaann ±±1100 ppppmm oovveerr aatteemmppeerraattuurree rraannggee ooff --4400°° CC ttoo 7755°°.. FFiinnaallllyy,,SSAAWW ddeevviicceess ccaann''tt bbee eeccoonnoommiiccaallllyy pprroodduucceeddaatt llooww vvoolluummeess bbeeccaauussee ooff tthhee ttoooolliinngg ccoosstt ttoopprroodduuccee mmaasskk sseettss..

TThhee aabbiilliittyy ttoo aacchhiieevvee ffuunnddaammeennttaallffrreeqquueenncciieess uupp ttoo 220000 MMHHzz wwiitthh AATT--ccuutt BBAAWWccrryyssttaallss ccaann mmeeaann ddrraammaattiicc rreedduuccttiioonn iinn ppoowweerrccoonnssuummppttiioonn iinn mmaannyy aapppplliiccaattiioonnss.. VVoolluummeepprroodduuccttiioonn ccoossttss ttyyppiiccaallllyy ccoommppaarree ttoo SSAAWWddeevviicceess,, wwhhiillee ssaammpplliinngg iiss ffaarr mmoorreeeeccoonnoommiiccaall..

TTooddaayy ggoooodd qquuaalliittyy hhiigghh--ffrreeqquueennccyyttrraannssiissttoorrss aanndd ppaassssiivvee ccoommppoonneennttss aarree rreeaaddiillyyaavvaaiillaabbllee iinn llooww--ccoosstt,, ssuurrffaaccee--mmoouunntt ppaacckkaaggeess..WWhheenn tthheessee ddeevviicceess aarree uusseedd iinn ccoonnjjuunnccttiioonnwwiitthh hhiigghh ffrreeqquueennccyy TTmmTT rreessoonnaattoorrss,, mmaannyyccllaassssiicc bbuullkk--wwaavvee oosscciillllaattoorr ddeessiiggnnss aarreerreeaalliizzaabbllee aatt hhiigghh ffrreeqquueenncciieess.. TThheessee ddeessiiggnnssccaann bbee eeaassiillyy iimmpplleemmeenntteedd wwiitthh ffuunnddaammeennttaall--mmooddee rreessoonnaattoorr ooppeerraattiioonn wwiitthh nnoo iinndduuccttoorrss iinntthhee cciirrccuuiitt.. TToo aacchhiieevvee hhiigghheerr ffrreeqquueenncciieess((>>220000 MMHHzz)) uussee ooff rreessoonnaattoorr oovveerrttoonneess aanndd oorrffrreeqquueennccyy mmuullttiipplliiccaattiioonn tteecchhnniiqquueess ccaann bbeeuusseedd.. TThheessee cciirrccuuiittss bbeeccoommee aa lliittttllee mmoorreeccoommpplleexx aanndd wwiillll rreeqquuiirree aatt lleeaasstt oonnee iinndduuccttoorr..HHeerree aarree sseevveerraall eexxaammpplleess..

TThhee PPiieerrccee OOsscciillllaattoorr uussiinngg aaFFuunnddaammeennttaall MMooddee RReessoonnaattoorr

FFiigguurree 66.. FFuunnddaammeennttaall MMooddee PPiieerrccee OOsscciillllaattoorr

TThhee PPiieerrccee oosscciillllaattoorr wwiitthh ffuunnddaammeennttaallmmooddee rreessoonnaattoorr ((YY11)) iiss sshhoowwnn iinn FFiigguurree 66.. TThhiisscciirrccuuiitt iiss pprroobbaabbllyy tthhee mmoosstt ppooppuullaarr oosscciillllaattoorrddeessiiggnn ttyyppee aanndd ooppeerraatteess wwiitthh tthhee rreessoonnaattoorr aassaann iinndduuccttiivvee eelleemmeenntt.. IItt pprroovviiddeess aa rreellaattiivveellyyllooww ddiissttoorrttiioonn ssiinnee wwaavvee ttoo RRLL iiff tthhee oosscciillllaattoorr iisspprrooppeerrllyy ddeessiiggnneedd.. TThhee bbiiaass cciirrccuuiitt iiss rreellaattiivveellyyssttaabbllee aanndd iiss eeaassyy ttoo iimmpplleemmeenntt.. RRCC iiss cchhoosseennffoorr tthhee ddeessiirreedd ddcc bbiiaass ccuurrrreenntt aanndd iiff RRff iisscchhoosseenn ttoo bbee ~~5500 ttiimmeess RRCC tthheenn tthhee ttrraannssiissttoorrwwiillll bbee bbiiaasseedd wwiitthh tthhee ccoolllleeccttoorr vvoollttaaggee ((ddcc)) aattaapppprrooxxiimmaatteellyy ½½ ooff ++VV.. TThhee rraattiioo ooff oosscciillllaattiioonnaammpplliittuuddee ((ccoolllleeccttoorr ttoo bbaassee)) iiss aapppprrooxxiimmaatteellyyCC11//CC22.. CC11 iiss uussuuaallllyy cchhoosseenn ttoo ddoommiinnaattee tthheettrraannssiissttoorr iinnppuutt iimmppeeddaannccee aanndd tthheerreeffoorree wwiillllbbee rreellaattiivveellyy llaarrggee.. TThhee mmaaggnniittuuddee ooff XXCC11

sshhoouulldd bbee iinn tthhee 5500 ΩΩ ttoo 220000 ΩΩ rraannggee.. MMaakkiinnggCC22 ttwwoo ttoo ffiivvee ttiimmeess ssmmaalllleerr tthhaann CC11 ttoo ccrreeaatteessaa llaarrggee aammpplliittuuddee ooff oosscciillllaattiioonn ((aatt tthhee ccoolllleeccttoorr))aanndd aa ggoooodd iimmppeeddaannccee mmaattcchh ttoo RRLL.. AAtt tthheeffrreeqquueennccyy ooff oosscciillllaattiioonn ||XXCC11||++||XXCC22||== ||XXee|| wwhheerreeXXee iiss tthhee iinndduuccttiivvee rreeaaccttaannccee ooff tthhee rreessoonnaattoorrYY11,, aanndd XXCC11 aanndd XXCC22 aarree tthhee ccaappaacciittiivveerreeaaccttaanncceess ooff CC11 aanndd CC22 rreessppeeccttiivveellyy.. TThheerreessoonnaattoorr iiss ddeessiiggnneedd ttoo bbee rreessoonnaanntt wwiitthh CCLL

wwhhiicchh iiss C C

C C1 2

1 2+ aatt tthhee ddeessiirreedd ffrreeqquueennccyy [[44]]..

FFoorr vveerryy pprreecciissee ddeessiiggnnss CC11 oorr CC22 mmaayy bbeettrriimmmmeedd.. AAllssoo vvaarraaccttoorr ddiiooddeess ccaann bbee uusseedd iinnccoommbbiinnaattiioonn wwiitthh CC11 aanndd//oorr CC22 ttoo mmaakkee tthheeffrreeqquueennccyy vvoollttaaggee ccoonnttrroolllleedd aanndd aallllooww ffoorrtteemmppeerraattuurree ccoommppeennssaattiioonn..

TThhee PPiieerrccee OOsscciillllaattoorr uussiinngg aaRReessoonnaattoorr OOvveerrttoonnee

SSaaRRoonniixx//SSaannddiiaa NNaattiioonnaall LLaabboorraattoorriieess//PPaaggee 55

FFiigguurree 77.. OOvveerrttoonnee PPiieerrccee OOsscciillllaattoorr

AAnn AATT--ccuutt rreessoonnaattoorr ccaann bbee ooppeerraatteedd oonnaann oodddd rreessoonnaattoorr oovveerrttoonnee ((ttyyppiiccaallllyy tthhee tthhiirrdd oorrffiifftthh)) ttoo aacchhiieevvee mmuucchh hhiigghheerr ffrreeqquueenncciieess..TThheessee oovveerrttoonneess ccaann bbee uusseedd iiff tthheeffuunnddaammeennttaall aatt tthhee ddeessiirreedd ffrreeqquueennccyy iiss ddiiffffiiccuullttttoo pprroodduuccee oorr aa hhiigghheerr QQ rreessoonnaattoorr ssttrruuccttuurree aatttthhee ddeessiirreedd ffrreeqquueennccyy iiss rreeqquuiirreedd ffoorr ggrreeaatteerrffrreeqquueennccyy ssttaabbiilliittyy.. TToo ccoonnvveerrtt tthhee PPiieerrcceeoosscciillllaattoorr ttoo rreessoonnaattoorr oovveerrttoonnee ooppeerraattiioonn,, oonneemmuusstt aadddd aa ttaannkk cciirrccuuiitt ttoo tthhee bbaassiicc ddeessiiggnn ttoosseelleecctt tthhee ddeessiirreedd oovveerrttoonnee,, FFiigguurree 77.. TThhiiss ttaannkkcciirrccuuiitt iiss CC11 iinn ppaarraalllleell wwiitthh LL11.. CC44 iiss aa hhiigghhvvaalluuee ddcc bblloocckkiinngg ccaappaacciittoorr.. LL11 aanndd CC11 aarreecchhoosseenn ttoo bbee nneett ccaappaacciittiivvee aatt tthhee ddeessiirreeddoovveerrttoonnee,, uussuuaallllyy tthhee tthhiirrdd.. IIff tthhiiss iiss ttrruuee aanndd tthheettaannkk iiss iinndduuccttiivvee aatt tthhee ffuunnddaammeennttaall tthheenn tthhiissoosscciillllaattoorr wwiillll rruunn aatt tthhee tthhiirrdd oovveerrttoonnee ooff tthheerreessoonnaattoorr.. SSeelleecctt LL11 aanndd CC11 ssuucchh tthhaatt::

1

2 L C1 1π>> FF11,, wwhheerree FF11 iiss tthhee rreessoonnaattoorr

ffuunnddaammeennttaall,, AAllssoo X X

X + XL1 C1

L1 C1 sshhoouulldd bbee mmaaddee

--jj5500ΩΩ ttoo --jj115500ΩΩ aatt 33FF11 wwhheerree XXLL11 == jjωωLL11 aannddXXCC11 == 11//((jjωωCC))..

TThhee CCoollppiittttss OOsscciillllaattoorr uussiinngg aaFFuunnddaammeennttaall MMooddee RReessoonnaattoorr

FFiigguurree 88.. FFuunnddaammeennttaall MMooddee CCoollppiittttss OOsscciillllaattoorr

TThhee CCoollppiittttss oosscciillllaattoorr,, FFiigguurree 88,, iiss aannootthheerrppooppuullaarr oosscciillllaattoorr cciirrccuuiitt wwhhiicchh ooppeerraatteess tthhee

rreessoonnaattoorr aass aann iinndduuccttoorr.. TThhee CCoollppiittttss ddeessiiggnnhhaass oonnee ssiiddee ooff tthhee rreessoonnaattoorr ttiieedd ttoo ggrroouunnddaanndd lliikkee tthhee PPiieerrccee ddeessiiggnn tthhee rreessoonnaattoorr iissrreessoonnaanntt wwiitthh tthhee ccoommbbiinnaattiioonn ooff CC11 iinn sseerriieesswwiitthh CC22 [[55]].. TThhee sseerriieess ccoommbbiinnaattiioonn ooff CC11 aanndd

CC22,, ddeeffiinneedd aass CCLL,, iiss eeqquuaall ttoo C C

C C1 2

1 2+.. AAtt

cciirrccuuiitt rreessoonnaannccee,, aassssuummiinngg tthhee rreeaaccttiivveeeelleemmeennttss ddoommiinnaattee tthhee cciirrccuuiitt iimmppeeddaanncceess,, tthheebbaassee ttoo eemmiitttteerr vvoollttaaggee ggaaiinn pprroovviiddeedd bbyy tthheettaannkk ((YY11,, CC11 aanndd CC22)),, iiss 11++CC22//CC11.. TThhee rreeaaccttaanncceeooff CC22 iiss uussuuaallllyy cchhoosseenn ttoo bbee lleessss tthhaann RR33 aannddggrreeaatteerr tthhaann RRLL.. CC11 iiss uussuuaallllyy cchhoosseenn ttoo bbee lleesssstthhaann oorr eeqquuaall ttoo CC22.. TThhee ttrraannssiissttoorr,, uusseedd iinn aanneemmiitttteerr ffoolllloowweerr ccoonnffiigguurraattiioonn,, mmuusstt ssuuppppllyy lleesssstthhaann uunniittyy ggaaiinn ttoo ssuussttaaiinn oosscciillllaattiioonn.. TThheeoouuttppuutt ccaann bbee ttaakkeenn ddiirreeccttllyy ooffff CC22.. TThhee llooaadd((RRLL)) ccoouulldd aallssoo bbee ppllaacceedd iinn sseerriieess wwiitthh tthheerreessoonnaattoorr aass lloonngg aass tthhee rreessoonnaattoorr iimmppeeddaanncceeiiss ssiiggnniiffiiccaannttllyy llaarrggeerr tthhaann tthhee llooaadd,, RRLL..

TThhee CCoollppiittttss ddeessiiggnn ccaann bbee ddeessiiggnneedd ttooooppeerraattee tthhee rreessoonnaattoorr oonn aann oovveerrttoonnee.. CC11 oorr CC22

mmuusstt bbee rreeppllaacceedd wwiitthh aann LLCC ttaannkk cciirrccuuiitt uussiinnggtthhee ssaammee tteecchhnniiqquueess ddeessccrriibbeedd ffoorr tthhee PPiieerrcceeoosscciillllaattoorr aabboovvee..

TThhee PPiieerrccee aanndd CCoollppiittttss ddeessiiggnnss aarree tthheettwwoo mmoosstt ppooppuullaarr oosscciillllaattoorr ddeessiiggnnss.. TThheeyyrreeqquuiirree ffeeww ppaarrttss,, aarree eeaassyy ttoo ddeessiiggnn aanndd aarreeccaappaabbllee ooff hhiigghh ppeerrffoorrmmaannccee.. VVCCXXOO ((vvoollttaaggeeccoonnttrroolllleedd ccrryyssttaall oosscciillllaattoorr)) ddeessiiggnnss aarreeccoommmmoonnllyy iimmpplleemmeenntteedd wwiitthh tthhee CCoollppiittttssccoonnffiigguurraattiioonn.. TToo aacchhiieevvee aa bbrrooaadd ttuunniinngg rraannggeeiitt iiss ddeessiirraabbllee ttoo hhaavvee tthhee vvaarraaccttoorr ddiiooddee iinnsseerriieess wwiitthh tthhee rreessoonnaattoorr.. TThhiiss iiss bbeeccaauussee tthhiissaarrrraannggeemmeenntt kkeeeeppss tthhee oosscciillllaattoorr ggaaiinnrreeqquuiirreemmeennttss aanndd tthhuuss aammpplliittuuddee ooff oosscciillllaattiioonnccoonnssttaanntt oovveerr wwiiddee rraannggee ooff vvaarraaccttoorrccaappaacciittaannccee.. TThhiiss iiss eeaassiillyy aacchhiieevveedd iinn tthheeCCoollppiittttss oosscciillllaattoorr ssiinnccee oonnee ssiiddee ooff tthheerreessoonnaattoorr iiss nnoorrmmaallllyy ccoonnnneecctteedd ttoo ggrroouunndd;;wwhheerree aass tthhee PPiieerrccee oosscciillllaattoorr hhaass tthheerreessoonnaattoorr ppllaacceedd iinn--bbeettwweeeenn tthhee llooaaddccaappaacciittoorrss..

TThhee BBuuttlleerr OOsscciillllaattoorr

AAtt vveerryy hhiigghh ffrreeqquueenncciieess,, oorr oovveerrttoonneeooppeerraattiioonn,, iitt mmaayy bbee ddiiffffiiccuulltt ttoo ooppeerraattee tthheerreessoonnaattoorr aass aa ggoooodd,, hhiigghh QQ,, iinndduuccttoorr..TThheerreeffoorree iitt bbeeccoommeess nneecceessssaarryy ttoo ooppeerraattee tthhee

SSaaRRoonniixx//SSaannddiiaa NNaattiioonnaall LLaabboorraattoorriieess//PPaaggee 66

rreessoonnaattoorr nneeaarr FFss wwhheerree tthhee rreessoonnaattoorr iissaapppprrooxxiimmaatteellyy rreessiissttiivvee aanndd nneeaarr iittss mmiinniimmuummiimmppeeddaannccee.. FFiigguurree 99 iiss aa BBuuttlleerr oosscciillllaattoorrddeessiiggnn.. IItt iiss aa sseerriieess rreessoonnaanntt ddeessiiggnn tthhaatt aallssooooppeerraatteess tthhee rreessoonnaattoorr aatt llooww ppoowweerr lleevveellss..

FFiigguurree 99.. BBuuttlleerr OOsscciillllaattoorr

TThhiiss ddeessiiggnn uusseess aa CCoollppiittttss ssttrruuccttuurree ((LL11,,CC11,, CC22)) wwiitthh tthhee rreessoonnaattoorr ccoommpplleettiinngg tthheeccoonnnneeccttiioonn ooff CC22,, aanndd CC11 ttoo tthhee eemmiitttteerr.. CC33 iiss aaddcc bblloocckkiinngg ccaappaacciittoorr aanndd hhaass nnoo rreeaall eeffffeecctt oonntthhee oosscciillllaattiioonn pprrooppeerrttiieess.. IInn tthhiiss ccaassee,, aatt tthheeoosscciillllaattiioonn ffrreeqquueennccyy,, tthhee rreessoonnaattoorr wwiillll bbeeaapppprrooxxiimmaatteellyy rreessiissttiivvee aanndd tthheerreeffoorree nneeaarr FFss..TThhee LLCC ttaannkk,, (( LL11,, CC22 aanndd CC11 )),, aallssoo sseelleeccttss tthheeddeessiirreedd ffuunnddaammeennttaall oorr oovveerrttoonnee mmooddee ooff tthheerreessoonnaattoorr.. FFoorr tthhiiss eexxaammppllee,, tthhee oouuttppuutt iiss ttaakkeennooffff ooff tthhee ccoolllleeccttoorr tthhrroouugghh aann iimmppeeddaanncceemmaattcchhiinngg nneettwwoorrkk wwhhiicchh ccoouulldd bbee aa nnaarrrrooww--ttuunneedd ttaannkk cciirrccuuiitt oorr ttrraannssffoorrmmeerr..

FFrreeqquueennccyy--MMuullttiippllyyiinngg OOsscciillllaattoorrDDeessiiggnn

IInnccoorrppoorraattiinngg TTmmTT ccrryyssttaallss aanndd ssiimmpplleemmuullttiipplliiccaattiioonn tteecchhnniiqquueess ccrryyssttaall ccoonnttrroolllleeddffrreeqquueenncciieess ttoo 11 GGHHzz ccaann bbee aacchhiieevveedd.. FFoorr tthheesseellff--lliimmiittiinngg oosscciillllaattoorrss ddeessccrriibbeedd hheerree tthheecciirrccuuiitt nnoonnlliinneeaarriittiieess wwiillll ddrriivvee tthhee lloooopp--ggaaiinn ttoooonnee.. TThheessee nnoonnlliinneeaarriittiieess rreessuulltt iinn tthheeggeenneerraattiioonn ooff ssiiggnniiffiiccaanntt hhaarrmmoonniicc ccuurrrreennttss.. IIffoonnee ddeessiiggnnss aa mmaattcchhiinngg nneettwwoorrkk ttoo ssuuppppllyy aappoooorr mmaattcchh aatt tthhee oosscciillllaattoorr ffrreeqquueennccyy aanndd aavveerryy ggoooodd mmaattcchh aatt ssoommee ddeessiirreedd hhaarrmmoonniicc oofftthhee oosscciillllaattoorr tthheenn ffrreeqquueennccyy mmuullttiipplliiccaattiioonn iissaacchhiieevveedd.. IItt iiss ddeessiirraabbllee ffoorr mmaaxxiimmuumm ppoowweerreeffffiicciieennccyy ttoo cchhoooossee tthhee hhaarrmmoonniicc wwiitthh tthheeggrreeaatteesstt ccuurrrreenntt ssiinnccee ppoowweerr ggooeess wwiitthh II22.. OOnnee

wwiillll ggeenneerraallllyy lloossee aapppprrooxxiimmaatteellyy 1100 ddBB ooffoouuttppuutt ppoowweerr ppeerr ssuucccceessssiivvee hhaarrmmoonniicc..TThheerreeffoorree oonnee sshhoouulldd cchhoossee lloowweerr hhaarrmmoonniiccss iiffppoowweerr eeffffiicciieennccyy iiss aa ddeessiiggnn iissssuuee..

TThhee BBuuttlleerr oosscciillllaattoorr ddeessiiggnn ccaann bbee uusseedd aassaa ffrreeqquueennccyy mmuullttiippllyyiinngg oosscciillllaattoorr bbyy mmaattcchhiinnggtthhee ccoolllleeccttoorr ooff tthhee ttrraannssiissttoorr ttoo tthhee llooaadd aatt aahhaarrmmoonniicc ooff tthhee oosscciillllaattoorr ffrreeqquueennccyy,, FFiigguurree 1100..

FFiigguurree 1100.. FFrreeqquueennccyy MMuullttiippllyyiinngg BBuuttlleerr OOsscciillllaattoorrTToo eelliimmiinnaattee tthhee pprriimmaarryy oosscciillllaattoorr

ffrreeqquueennccyy ffrroomm tthhee oouuttppuutt ,, LL22 iiss ddeessiiggnneedd ttoorreessoonnaattee wwiitthh CC77,, LL33 iiss aa cchhookkee aanndd wwiillll llooookklliikkee aa ssmmaallll ccaappaacciittoorr aatt hhiigghh ffrreeqquueenncciieess iinnppaarraalllleell wwiitthh CC77.. SSiinnccee tthhee ccoolllleeccttoorr ooff tthheettrraannssiissttoorr iiss sshhoorrtteedd ttoo ggrroouunndd aatt tthhee oosscciillllaattoorrffrreeqquueennccyy tthheerree wwiillll bbee nnoo oouuttppuutt ppoowweerrccoonnttrriibbuuttiioonn aatt tthhiiss ffrreeqquueennccyy.. AAnn aaddddeedd bbeenneeffiittooff hhaavviinngg lliittttllee oorr nnoo pprriimmaarryy ffrreeqquueennccyy oonn tthheeccoolllleeccttoorr ooff tthhee ttrraannssiissttoorr iiss tthhaatt tthhiiss mmiinniimmiizzeesstthhee MMiilllleerr eeffffeecctt.. TThhee MMiilllleerr iimmppeeddaannccee wwoouullddeeffffeeccttiivveellyy sshhuunntt LL11 wwiitthh aann iimmppeeddaanncceepprrooppoorrttiioonnaall ttoo CCccbb aanndd tthhee ggaaiinn ffrroomm bbaassee ttooccoolllleeccttoorr.. MMiinniimmiizziinngg MMiilllleerr eeffffeeccttss aallssoo hheellppssddeeccoouuppllee tthhee oosscciillllaattoorr ffrroomm tthhee llooaadd..

TToo mmaakkee aa ffrreeqquueennccyy mmuullttiipplliieerr oonnee mmuussttssiimmuullttaanneeoouussllyy ddeessiiggnn aa ttaannkk cciirrccuuiitt ttoo sshhuunntttthhee oosscciillllaattoorr ccuurrrreenntt ((pprriimmaarryy)) ttoo ggrroouunndd aannddiimmppeeddaannccee mmaattcchh tthhee ddeessiirreedd hhaarrmmoonniicc ttoo tthheellooaadd.. AAtt tthhee ddeessiirreedd hhaarrmmoonniicc LL22 aanndd CC77

rreessoonnaattee wwiitthh tthhee ccoommbbiinnaattiioonn ooff CC44,, CC55 aanndd RRLL..TThhee mmaattcchhiinngg nneettwwoorrkk tthheerreeffoorree hhaass aa sseerriieessrreessoonnaanntt aanndd aa ppaarraalllleell rreessoonnaanntt ffrreeqquueennccyy..TThhee hhiigghheerr oorrddeerr hhaarrmmoonniiccss wwiillll bbee aatttteennuuaatteeddbbeeccaauussee ssuucccceessssiivvee hhaarrmmoonniiccss nnaattuurraallllyyddeeccrreeaassee iinn aammpplliittuuddee aanndd tthhee mmaattcchhiinnggnneettwwoorrkk wwiillll pprroovviiddee ffiilltteerriinngg.. TThhuuss tthhee oouuttppuuttwwiillll pprriimmaarriillyy bbee aa ssiinnggllee hhaarrmmoonniicc ooff tthhee

SSaaRRoonniixx//SSaannddiiaa NNaattiioonnaall LLaabboorraattoorriieess//PPaaggee 77

oosscciillllaattoorr ffrreeqquueennccyy.. DDeeppeennddiinngg oonn tthheehhaarrmmoonniiccss ggeenneerraatteedd bbyy tthhee oosscciillllaattoorr,, tthheeccoommpplleexxiittyy ooff tthhee mmaattcchhiinngg nneettwwoorrkk,, tthheeddeessiirreedd lleevveell ooff ddiissttoorrttiioonn,, aanndd oovveerraallll eeffffiicciieennccyyooff tthhee cciirrccuuiitt,, oonnee ccaann ppiicckk aannyy hhaarrmmoonniicc ooff tthheepprriimmaarryy ffrreeqquueennccyy.. IItt mmaayy bbee nneecceessssaarryy ttoosshhuunntt LL33 ((cchhookkee)) wwiitthh aa hhiigghh vvaalluuee rreessiissttoorr ((~~55kkΩΩ)) ttoo ddaammpp aa ppoossssiibbllee llooww ffrreeqquueennccyy mmooddee ooffoosscciillllaattiioonn ccaauusseedd bbyy LL33 ppaarraalllleell rreessoonnaattiinngg wwiitthhCC44 aatt tthhee ccoolllleeccttoorr nnooddee..

FFoorr ssiimmpplliicciittyy,, tthhee oosscciillllaattoorrss pprreesseenntteeddhheerree aarree nnoott nneecceessssaarriillyy tthhee mmoosstt ppoowweerreeffffiicciieenntt ppoossssiibbllee.. AAppppllyyiinngg tthhee ffoolllloowwiinngg rruulleess--ooff--tthhuummbb ccaann ddrraammaattiiccaallllyy iimmpprroovvee tthheeeeffffiicciieennccyy ooff aannyy oosscciillllaattoorr ((oorr aammpplliiffiieerr)) ddeessiiggnn::11)) sshhaarree bbiiaass ccuurrrreennttss bbyy ppuuttttiinngg ttrraannssiissttoorrss iinnsseerriieess;; 22)) ddeessiiggnn eeaacchh ttrraannssiissttoorr ttoo ppeerrffoorrmmmmoorree tthhaann oonnee ffuunnccttiioonn;; 33)) sswwiittcchh ttrraannssiissttoorrss bbyyuussiinngg CCllaassss BB oorr CC ccoonnffiigguurraattiioonnss;; 44)) eexxppllooiitttthhee nnoonnlliinneeaarriittiieess ooff tthhee ddeessiiggnn oorr 55))ccoommbbiinnaattiioonnss ooff tthhee aabboovvee..

TThhee DDiiffffeerreennttiiaall--AAmmpplliiffiieerr OOsscciillllaattoorr--MMuullttiipplliieerr

AAnn eexxaammppllee ooff eexxppllooiittiinngg aa nnoonnlliinneeaarriittyy ffoorrbbeesstt eeffffiicciieennccyy oorr ffuunnccttiioonn ccaann bbee ddeemmoonnssttrraatteeddiinn aa PPiieerrccee oosscciillllaattoorr uussiinngg aa ddiiffffeerreennttiiaallaammpplliiffiieerr mmuullttiipplliieerr FFiigguurree 1111..

FFiigguurree 1111.. DDiiffffeerreennttiiaall--AAmmpplliiffiieerr PPiieerrccee OOsscciillllaattoorr--MMuullttiipplliieerr

TThhiiss cciirrccuuiitt iiss rraatthheerr uunniiqquuee iinn tthhaatt iitt hhaassoonnllyy oonnee LLCC ttaannkk cciirrccuuiitt ((mmuullttiipplliieerr)) bbuutt ccaannpprroovviiddee ffrreeqquueenncciieess ttoo 11 GGHHzz.. TThhiiss iiss bbeeccaauusseeooff tthhee eexxcceelllleenntt mmuullttiippllyyiinngg pprrooppeerrttiieess ooffffeerreeddbbyy tthhee ddiiffffeerreennttiiaall aammpplliiffiieerr ((eemmiitttteerr--ccoouupplleeddppaaiirr)).. QQ11 ,, QQ22 aanndd RR77 aarree ddcc bbiiaasseedd vviiaa RR11,, RR22,,

RR33 aanndd RR44.. TThhee ddiiffffeerreennttiiaall aammpplliiffiieerr oosscciillllaattoorrddeessiiggnn wwiillll pprroodduuccee pprreeddoommiinnaatteellyy oodddd--hhaarrmmoonniiccss wwhheenn ddrriivveenn hheeaavviillyy iinnttooccoommpprreessssiioonn.. TThheerreeffoorree ffrroomm aa ppoowweerreeffffiicciieennccyy ssttaannddppooiinntt tthhiiss cciirrccuuiitt ccaann bbee aanneexxcceelllleenntt ttrriipplleerr aanndd aa ggoooodd qquuiinnttuupplleerr.. TThhee ooddddhhaarrmmoonniicc ggeenneerraattiioonn aallssoo hheellppss eeaassee tthheeddeessiiggnn ccoonnssttrraaiinnttss oonn tthhee mmuullttiipplliieerr ttaannkkbbeeccaauussee tthhee aaddjjaacceenntt hhaarrmmoonniiccss aarree aallrreeaaddyyssuupppprreesssseedd..

QQ22 iiss tthhee PPiieerrccee oosscciillllaattoorr ttrraannssiissttoorr wwhhiicchhddrriivveess QQ11 vviiaa tthhee eemmiitttteerr.. TToo mmaaxxiimmiizzee tthheeoouuttppuutt ppoowweerr ooff tthhiiss ddeessiiggnn,, oonnee mmuusstt hhaavvee aarreellaattiivveellyy llaarrggee ssiiggnnaall aatt tthhee bbaassee ooff QQ22 ttoo ddrriivveetthhee ddiiffffeerreennttiiaall aammpplliiffiieerr iinnttoo ccoommpprreessssiioonn aannddggeenneerraattee tthhee ddeessiirreedd hhaarrmmoonniiccss.. TTooaaccccoommpplliisshh tthhiiss CC11 aanndd CC22 sshhoouulldd bbeeaapppprrooxxiimmaatteellyy eeqquuaall iinn vvaalluuee.. TThhee mmuullttiipplliieerrttaannkk wwiillll sshhuunntt tthhee pprriimmaarryy oosscciillllaattoorr ccuurrrreenntt ttooggrroouunndd aanndd iimmppeeddaannccee mmaattcchh tthhee ddeessiirreedd tthhiirrddoorr ffiifftthh hhaarrmmoonniicc ttoo tthhee llooaadd.. UUssiinngg aa 220000 MMHHzzrreessoonnaattoorr wwiitthh aa ttrriipplleerr ddeessiiggnn ffoorr aa 660000 MMHHzzoouuttppuutt ccaann pprroodduuccee aapppprrooxxiimmaatteellyy 00 ddBBmm ooffoouuttppuutt ppoowweerr wwiitthh 55 mmAA ddcc ccuurrrreenntt ooffff aa 33 ttoo 55vvssuuppppllyy.. TThhiiss ddeessiiggnn iiss ccaappaabbllee ooff pprroovviiddiinngg lloowwhhaarrmmoonniicc ddiissttoorrttiioonn bbyy ssuupppprreessssiinngg aallllhhaarrmmoonniiccss ttoo aatt lleeaasstt 2233 ddBB bbeellooww tthhee ddeessiirreeddoouuttppuutt..

WWhheenn uussiinngg mmiiccrroowwaavvee ttrraannssiissttoorrss iinn tthhiisscciirrccuuiitt iitt mmaayy bbee nneecceessssaarryy ttoo ppllaaccee aa ssmmaallllccaappaacciittoorr ((~~ 11 ppFF)) ffrroomm tthhee eemmiitttteerrss ooff QQ11--QQ22ttoo ggrroouunndd,, vviiaa aa sshhoorrtt ttrraaccee.. TThhiiss wwiillll lliimmiitt tthheebbaannddwwiiddtthh ooff tthhee cciirrccuuiitt aanndd tthhuuss ddrraammaattiiccaallllyyrreedduuccee tthhee ppoossssiibbiilliittyy ooff uunnddeessiirreedd oosscciillllaattiioonnccoonnddiittiioonnss tthhaatt mmaayy eexxiisstt nneeaarr tthhee ccuutt--ooffffffrreeqquueennccyy ooff tthhee ttrraannssiissttoorrss..

TThhee ccoommbbiinnaattiioonn ooff mmiinniiaattuurree ssiizzee,, lloowwppoowweerr ccoonnssuummppttiioonn aanndd tteemmppeerraattuurree ssttaabbiilliittyyaaffffoorrddeedd bbyy oosscciillllaattoorrss uussiinngg TTmmTT rreessoonnaattoorrssooppeennss tthhee ddoooorr ttoo nneeww ddeessiiggnn aapppprrooaacchheess iinnssmmaallll,, ppoorrttaabbllee,, hhiigghh ffrreeqquueennccyy eeqquuiippmmeenntt.. AAssmmoorree ddeessiiggnneerrss rreeaalliizzee hhooww ssiimmppllee iitt ccaann bbee ttooccoonnvveerrtt llooww ffrreeqquueennccyy bbuullkk wwaavvee oosscciillllaattoorrss ttoohhiigghh ffrreeqquueennccyy ddeessiiggnnss iinnccoorrppoorraattiinngg tthheesseenneeww ddeevviicceess,, tthheeiirr uussee ccaann bbee eexxppeecctteedd ttooiinnccrreeaassee aatt aa rraappiidd rraattee..

∗∗SSaannddiiaa NNaattiioonnaall LLaabboorraattoorriieess hhaass aapprroopprriieettaarryy ddeessiiggnn ffoorr hhiigghh--eeffffiicciieennccyy,, hhiigghh--oouuttppuutt ppoowweerr oosscciillllaattoorrss ffoorr ffrreeqquueenncciieess ttoo

SSaaRRoonniixx//SSaannddiiaa NNaattiioonnaall LLaabboorraattoorriieess//PPaaggee 88

aapppprrooxxiimmaatteellyy 220000 MMHHzz uussiinngg BBAAWWrreessoonnaattoorrss.. FFoorr mmoorree iinnffoorrmmaattiioonn ccaallll KKuurrttWWeesssseennddoorrff aatt 550055--884455--88881177 oorr eemmaaiill aattkkoowweessssee@@ssaannddiiaa..ggoovv;; oorr ffoorr lliicceennsseeaaggrreeeemmeenntt iinnffoorrmmaattiioonn ccoonnttaacctt AArrtt VVeerraarrddooaatt 550055--884433--44117722 oorr eemmaaiill aattaaeevveerraarr@@ssaannddiiaa..ggoovv..

RReeffeerreenncceess

[[11]] MM.. EE.. FFrreerrkkiinngg,, CCrryyssttaall OOsscciillllaattoorr DDeessiiggnnaanndd TTeemmppeerraattuurree CCoommppeennssaattiioonn,, VVaannNNoossttrraanndd RReeiinnhhoolldd 11997788 pppp.. 2200--3300..

[[22]] UUsseedd bbyy ppeerrmmiissssiioonn ooff MMaarrkk SStteevveennssoonn,,SSaawwtteekk IInncc..,, OOrrllaannddoo,, FFlloorriiddaa..

[[33]] UUsseedd bbyy ppeerrmmiissssiioonn CCaarrll MMaaddddaalloonnee,,CChhaappmmaann && HHiillll,, IInncc,, NNeeww YYoorrkk,, NNeeww YYoorrkk..

[[44]] MM.. EE.. FFrreerrkkiinngg,, CCrryyssttaall OOsscciillllaattoorr DDeessiiggnnaanndd TTeemmppeerraattuurree CCoommppeennssaattiioonn,, VVaannNNoossttrraanndd RReeiinnhhoolldd 11997788 pppp.. 5566--6633..

[[55]] MM.. EE.. FFrreerrkkiinngg,, CCrryyssttaall OOsscciillllaattoorr DDeessiiggnnaanndd TTeemmppeerraattuurree CCoommppeennssaattiioonn,, VVaannNNoossttrraanndd RReeiinnhhoolldd 11997788 pppp.. 7766--7799..

AAddddiittiioonnaall RReeaaddiinngg

KK.. OO.. WWeesssseennddoorrff,, ““HHiigghh EEffffiicciieennccyy UUHHFFOOsscciillllaattoorr ffoorr PPoorrttaabbllee BBaatttteerryy--PPoowweerreeddAApppplliiccaattiioonnss,,”” 1144tthh PPiieezzooeelleeccttrriicc DDeevviicceessCCoonnffeerreennccee aanndd EExxhhiibbiittiioonn PPrroocceeeeddiinnggss,,11999922..

KK.. OO.. WWeesssseennddoorrff,, ““HHiigghh FFrreeqquueennccyy VVoollttaaggee--CCoonnttrroolllleedd--OOsscciillllaattoorr ffoorr UUssee WWiitthh IInnvveerrtteedd--MMeessaa QQuuaarrttzz RReessoonnaattoorrss,,”” 11999966 IIEEEEEEIInntteerrnnaattiioonnaall FFrreeqquueennccyy CCoonnttrrooll SSyymmppoossiiuummPPrroocceeeeddiinnggss,, 11999966..

RR.. RRhheeaa,, OOsscciillllaattoorr DDeessiiggnn aanndd CCoommppuutteerrSSiimmuullaattiioonn,, PPrreennttiiccee HHaallll,, 11999900..

BB.. PPaarrzzeenn,, DDeessiiggnn ooff CCrryyssttaall aanndd OOtthheerrHHaarrmmoonniicc OOsscciillllaattoorrss,, WWiilleeyy IInntteerrsscciieennccee,,11998833..

VV.. BBoottttoomm,, IInnttrroodduuccttiioonn ttoo QQuuaarrttzz CCrryyssttaall UUnniittDDeessiiggnn,, VVaann NNoossttrraanndd RReeiinnhhoolldd,, 11998822..