電子科技大學通信射頻電路 射頻振蕩器 33-35

1、第十章 射頻(sh pn)振蕩器本章(bn zhn)內(nèi)容射頻振蕩器工作原理射頻振蕩器主要技術指標射頻振蕩器類型和基本電路射頻振蕩器設計方法 掌握射頻振蕩器工作原理，射頻振蕩器的起振條件和穩(wěn)定振蕩條件,主要技術指標，射頻振蕩器基本電路拓撲結構,射頻振蕩器設計方法和性能仿真方法。共四十五頁 射頻振蕩器是射頻/微波/毫米波電子系統(tǒng)中一個必不可少的器件，提供原始信號。一個電子系統(tǒng)中往往(wngwng)需要多個射頻振蕩器。提供通信/雷達等電子系統(tǒng)的載波或變頻本振;提供系統(tǒng)時鐘;系統(tǒng)同步。 射頻(sh pn)振蕩器功能振蕩?兩個狀態(tài)或兩個條件之間的周期變動。 振蕩器使用的器件二端器件(Gunn, IMPA

2、TT, etc.)三端器件(BJT, HBT, MESFET, etc.)共四十五頁 振蕩器分類(fn li)按工作原理和分析方法可分為(fn wi)兩大類反饋型振蕩器負阻型振蕩器5.8GHz 注鎖振蕩器電路，結構，測試性能共四十五頁&10.2 振蕩器原理(yunl)及電路 振蕩器原理(yunl)反饋原理負電阻原理振蕩器的反饋模型 +-i+-Rvs振蕩器的負電阻模型 反饋振蕩器負阻振蕩器 振蕩器分類共四十五頁&7.1 反饋(fnku)型振蕩器 反饋型振蕩器結構1.放大電路;2.反饋網(wǎng)絡;3.選頻回路(hul);4.電源.合成+選頻放大器反饋網(wǎng)絡Vi+-V2V3V4Ad共四十五頁若對某個(mu

3、)頻率: Ad=-1, Al：閉環(huán)電路(dinl)增益T：開環(huán)電路增益電路將自激振蕩，不需要外部輸入信號。 電路要起振，反饋環(huán)路的凈增益必須大于或等于1，環(huán)路中信號的凈相移必須是360的正整數(shù)倍（正反饋）。 Barkhause準則-振蕩條件T(j)=-1Al(j)=起振條件共四十五頁 由于振蕩器是正反饋，因此起振之初，輸出信號(xnho)勢必越來越大，信號(xnho)最終穩(wěn)定必須滿足幅度和相位的穩(wěn)定條件。 振蕩(zhndng)穩(wěn)定條件 振幅穩(wěn)定條件 穩(wěn)定時|T(j)|=1,且為了確保vo幅值不變還應有1穩(wěn)定點vi|T(j)|起振條件: |T(j)|1開環(huán)增益越大越易起振!共四十五頁相位穩(wěn)定(w

4、ndng)條件 幅度和相位穩(wěn)定條件確立(qul)了幅度和相位在低于穩(wěn)定點為正反饋，超過穩(wěn)定點為負反饋。 反饋型振蕩器設計要點1.合適的放大器(可變增益)2.正反饋支路3.選頻網(wǎng)絡4.負斜率相頻特性.共四十五頁vR+-i+-Rvs 電阻R上的電流I的流向與電壓降vR一致，因此其消耗功率，呈現(xiàn)(chngxin)正電阻特性。&7.2 負電阻(dinz)振蕩器 對于信號源，其上的壓降與電流方向相反，輸出功率，在上圖中其消耗的是負功率。等效為一負電阻! 除了信號源之外，某些器件的I-V特性也等效為一個負電阻,即器件的伏安特性出現(xiàn)負斜率段。共四十五頁iv負阻段電壓型iv負阻段電流型 常見的呈現(xiàn)負阻特性的器

5、件(qjin)有隧道二極管和雙基極二極管。Q1CLQ2ReVccCL-Rs共四十五頁 在圖示的電路中，位于任意位置的平面AB將電路切割為左右兩部分，Zs 和ZL 分別為左右兩部分電路的輸入阻抗(sh r z kn)（最常用的選擇是將參考平面放置在諧振器和晶體管之間）. 負電阻(dinz)振蕩器分析方法共四十五頁 振蕩(zhndng)條件 共四十五頁 有源電路單元(dnyun)(ZS)的負電阻和電抗必須與ZL的電阻和電抗在幅值上相等，符號相反。 為了起振，負電阻的幅值應大于小信號條件下得到的幅值。由于振蕩電路中有更多的負電阻，振蕩將持續(xù)增長，振蕩振幅持續(xù)增大，然有源器件的非線性將導致負電阻的量值

6、減小，直到達到穩(wěn)態(tài)的量值。負電阻振蕩器的振蕩條件1.建立適當?shù)撵o態(tài)工作點，使器件工作在負阻特性區(qū)間,滿足(mnz)2.滿足振蕩穩(wěn)定條件（類似Barkhouse準則）共四十五頁負電阻振蕩器特點(tdin)工作頻率較高，可達100GHz以上;電路形式簡單;設計難度較高. 常見(chn jin)負阻振蕩器 微帶振蕩器，介質腔體振蕩器，YIG振蕩器，耿氏二極管振蕩器等 產(chǎn)生負電阻的基本電路拓撲 共四十五頁&7.3 振蕩器主要(zhyo)性能指標1.工作頻率 o 2.輸出電平(din pn)（功率）3.頻率準確度常用相對頻偏來衡量1PPm (e-6)4.頻率穩(wěn)定度 指在規(guī)定的時間間隔內(nèi)，輸出頻率偏離標稱

7、值的大小，分長期、短期和瞬間穩(wěn)定度三種。共四十五頁時域：主要(zhyo)用于阿倫方差表征頻域：相位噪聲5. 頻譜純度(失真度) 指輸出信號接近理想的標準(biozhn)信號的程度，一般用雜散分量(包括諧波)和相位噪聲來衡量。6.效率與功耗 DC-RF的轉換效率 整個系統(tǒng)消耗的功率7. 體積與成本共四十五頁&7.4 振蕩器基本(jbn)電路文氏電橋(din qio)振蕩器利用超前/滯后網(wǎng)絡作反饋支路的振蕩器。+-R2C2R1C1RiRf=2RiA超前滯后網(wǎng)絡Vout共四十五頁反饋網(wǎng)絡(wnglu)的轉移特性曲線f01/3F(j)f平衡(pnghng)時對v1同相放大，對v2反相放大同相增益反相增

8、益Rf、Ri提供負反饋, 超前/滯后網(wǎng)絡提供正反饋共四十五頁開環(huán)增益(zngy) 常用在5K-1MHz工作頻率范圍(fnwi), 作低頻信號發(fā)生器，信號穩(wěn)定度差！ 互感LC振蕩器ReRb1C等效振蕩回路Rb2CCCVcc共四十五頁 利用互感提供反饋，應注意互感的同名端。共發(fā)電路為反相放大，則反饋應倒相才能構成(guchng)正反饋。共基電路為同相放大，則反饋應同相才能構成(guchng)正反饋。 多用于收音機本振，工作頻率也不高，信號頻率穩(wěn)定度也較差。 實際制作調諧放大器時，應特別小心，避免信號因電路排版或空間輻射引起回授(hu shu)，從而導致寄生振蕩產(chǎn)生。三端振蕩器 在三端晶體管的三個外

9、接點（輸入、輸出、地）之間分別接以不同電抗元件構成的振蕩器.共四十五頁AX3X2X1 理論分析表明要滿足相位穩(wěn)定條件，X1與X2、X3必須異性（感、容）。振蕩(zhndng)頻率由X1與X2、X3構成的回路諧振頻率決定。特點：工作頻率高，穩(wěn)定度更好。三端(sn dun)振蕩器拓撲結構共四十五頁Hartley振蕩器（電感(din n)三端振蕩器）L1L2C1Hartley振蕩器拓撲(tu p)及電路L1L2C1C3R2R1LC2Vcc Hartley振蕩器工作特性主要由電感抽頭（L1 L2的比值）決定。反饋能量太小，不易振蕩，反饋能量太大，晶體管要飽和，回路品質因數(shù)下降，影響頻率穩(wěn)定度。共四十五

10、頁 振蕩器的頻率調整主要靠改變L1、L2的電感量。由于后接放大器通常輸入端為容性負載(fzi)，因此振蕩頻率易受負載(fzi)的影響。Copitts振蕩器（電容(dinrng)三端振蕩器）LC1C2LC1C3R2R1LC2VccCopitts 振蕩器拓撲及電路共四十五頁 Copitts振蕩器反饋(fnku)系數(shù)取決于C1、C2的比值。當振蕩頻率較高時，改變頻率要改變C1、C2，從而會影響反饋比。Clapp振蕩器（改進型Copitts振蕩器）Clapp振蕩器拓撲(tu p)LC1C2C3X1共四十五頁 Clapp振蕩器中C3遠小于C1、C2，從而振蕩頻率主要取決于C3、L。而C1、C2決定反饋系

11、數(shù)(xsh)，可以取值較大，電路振蕩頻率不易受后級影響，振蕩頻率調整方便，因此為實際電路較多采用。電壓(diny)控制振蕩器（VCO）VCO電路共四十五頁 VCO是現(xiàn)代頻率合成器中的一個重要的基本組成部件,原理是振蕩回路中電抗元件(yunjin)（主要是電容）隨控制電壓變化，從而改變輸出頻率。VcVc高Vc低f低f高f共四十五頁壓控振蕩器主要(zhyo)技術指標（1）盡可能低的相位噪聲質量指標（2）頻率(pnl)的相對覆蓋應滿足要求(針對控制電壓范圍)晶體壓控振蕩器 VCXOLC VCO（3）壓控頻率特性曲線的非線性盡可能小。太大可能導致環(huán)路參數(shù)急劇變化，從而引起不穩(wěn)定。共四十五頁非線性系數(shù)(

12、xsh)Kn定義斜率(xil)之比在頻率合成器中Kn的大小取決于 a.變?nèi)莨芴匦? b.變?nèi)莨芙尤敕绞? c.Vc的變化范圍.（4）輸出幅度應盡可能平穩(wěn)（有助于諧波抑制）。共四十五頁&7.5 振蕩器的相位(xingwi)噪聲 振蕩器輸出功率譜共四十五頁 振蕩器相位噪聲(zoshng)根源 熱噪聲和閃爍噪聲 閃爍噪聲(zoshng)是基帶(低頻)噪聲，由于有源器件的非線性,將其上變頻到載波頻率附近. 振蕩器閉環(huán)和開環(huán)時的噪聲頻譜 共四十五頁 低相位噪聲振蕩器設計 振蕩器的主要設計目標(mbio)之一就是低相位噪聲。對三端振蕩器輸出信號的相位噪聲為 欲降低相位噪聲，則須提高QL。除要求振蕩回路元件

13、空載品質因數(shù)盡可能高之外，電路設計的原則是盡可能的減小放大器對振蕩回路引入的損耗(snho)。 設計中應使放大器始終工作在線性放大區(qū)間，不能出現(xiàn)飽和狀態(tài)。共四十五頁 低噪聲振蕩器要求盡可能高的有載品質(pnzh)因素，高的空載品質(pnzh)因素是前提。 一般而言，諧振回路中的電容的品質因數(shù)都遠高于電感，故決定品質因數(shù)的元件主要是電感或等效電感。以石英晶體為代表的壓電晶體器件（工作于感性區(qū)域）就具有較高的空載品質因數(shù)。一般(ybn)的電感Ql: 20-80粗銅線繞制電感 Ql: 100-400石英晶體Ql: 10000-300000共四十五頁 有源器件(qjin)選擇 振蕩器性能很大程度上取決

14、于所選用的有源器件是否適當。大多數(shù)振蕩器使用硅雙極型晶體管或GaAs器件。 有源器件在所需頻帶內(nèi)能否產(chǎn)生足夠的負阻或是前向增益很重要! 對不同應用及要求，閃爍噪聲(zoshng)，輸出功率等因數(shù)也應考慮到。 GaAs FET與硅雙極型晶體管(BJT) GaAs FET有高振蕩頻率，高增益，高輸出功率和高效率優(yōu)點! 硅雙極型晶體管有較低的閃爍噪聲,用于低相位噪聲振蕩器 ! &7.5 射頻振蕩器設計共四十五頁 異質(y zh)結雙極性晶體管(HBT) HBT在微波和毫米波電路中表現(xiàn)出了出色的增益和噪聲性能,HBT的垂直結構消除了FET的表面狀態(tài)問題，有更好的相位噪聲特性。 HBT跨導高，能在寬頻帶

15、內(nèi)產(chǎn)生負電阻，主要用于寬帶可調振蕩器。 HBT截止(jizh)電壓高，電流處理能力強，振蕩器具有高輸出功率。 SiGe雙極型技術可以超過普通硅器件,提供與GaAs等同的性能，兼具硅的低價性和批量生產(chǎn)優(yōu)點。 SiGe雙極型晶體管共四十五頁 偏置(pin zh)電路設計 偏置(pin zh)電路設計一般獨立于射頻電路設計。主要關注功率效率、穩(wěn)定性和易用性。設計低相噪振蕩器時，偏置電路需要仔細選擇以避免任何不希望的調制信號和噪聲注入。 MESFET振蕩器偏置電路 共四十五頁 振蕩器電路設計與仿真(fn zhn) 實際的振蕩器是非線性器件，小信號仿真(fn zhn)能保證振蕩條件和振蕩頻率,但無法準確

16、預測輸出功率。 小信號設計與仿真 大信號設計與仿真三種主要設計方法時域法;諧波平衡法;Volterra級數(shù)法。 共四十五頁Clapp振蕩器基本參數(shù)選擇(xunz)例如(lr)AX3X2X1LC1C2C3X1共四十五頁石英(shyng)晶體的等效電路L C1 RC2 L是等效(dn xio)電感 (mH量級), C1為等效電容，R為等效電阻（101量級）, C2為等效支架電容(5pF).石英晶體有兩個諧振頻率 串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率共四十五頁石英晶體(jngt)的電抗特性fsf2Xcf 石英(shyng)晶體振蕩器C1C2CXTALout分立Pierce電路（工作在感性區(qū)）共四十五頁分立Pie

17、rce電路特點(tdin)1. 短期穩(wěn)定度好2. 輸出功率大,要求放大器增益高(70dB）集成Pierce電路(dinl)（工作在感性區(qū)）C1C2RFRFout RF保證A類工作狀態(tài)。其廣泛應用于數(shù)字電路系統(tǒng)中作為系統(tǒng)時鐘.共四十五頁串聯(lián)式晶振C1C2C3L串聯(lián)式Clapp晶振原理圖C1C2CL8.2H1K10045p1001722p1.2H30010040MHz2K1K-12V1000.018K10K3091p0.01串聯(lián)式Clapp晶振電路(dinl)共四十五頁 低噪聲高穩(wěn)振蕩器 為了得到更好的相位噪聲特性(txng)，常采用雙晶體振蕩器，即外振蕩器也用晶體取代電感.C1C2 用作振蕩器的晶體一般工作在串聯(lián)諧振點附近（感性(gnxng)區(qū)域），可調頻率范圍很小.共四十五頁振蕩器的典型(dinxng)性能類型頻率準確度一般晶振10-5-10-6溫補晶振10-6-10-8恒溫晶振10-7-10-9銣鐘10-9-10-11銫鐘10-11-10-13氫鐘10-13以上共四十五頁射頻通信(tng xn)電路第七章中習題 7.2，7.4, 7.6, 7.16, 7.17 射頻電路設計理論與應用(yngyng) 第十章習題 10.2，10.10，10.18 作業(yè)共四十五頁內(nèi)容摘要第十章 射頻振蕩器。射頻振蕩器是射頻/微波/毫米波電子系統(tǒng)中一