射頻振蕩器和混頻器吉大通信課件

第9章射頻振蕩器和混頻器Page1第9章Page1

振蕩器是所有射頻系統(tǒng)中最基本的部件之一，它可以將直流功率轉(zhuǎn)化成射頻功率，在特定的頻率點建立起穩(wěn)定的正弦振蕩，成為所需的射頻信號源。Page2 振蕩器是所有射頻系統(tǒng)中最基本的部件之一，它可以將直流功率

早期的振蕩器在低頻下使用，考畢茲（Colpitts）、哈特萊（Hartley）等結(jié)構(gòu)都可以構(gòu)成低頻振蕩器，并可以使用晶體諧振器提高低頻振蕩器的頻率穩(wěn)定性。Page3 早期的振蕩器在低頻下使用，考畢茲（Colpitts）、哈

隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)的出現(xiàn)，頻率不斷升高，現(xiàn)代射頻系統(tǒng)的載波常常超過1GHz，這就需要有與之相適應(yīng)的振蕩器。Page4 隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)的出現(xiàn)，頻率不斷升高，現(xiàn)代射頻系統(tǒng)的載波

在較高頻率處可以使用工作于負(fù)阻狀態(tài)的二極管和晶體管，并利用腔體、傳輸線或介質(zhì)諧振器等構(gòu)成振蕩器，用這種方法構(gòu)成的振蕩器可以產(chǎn)生高達(dá)100GHz的基頻振蕩。Page5 在較高頻率處可以使用工作于負(fù)阻狀態(tài)的二極管和晶體管，并利

混頻器是射頻系統(tǒng)中用于頻率變換的部件，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，其可以將輸入信號的頻率升高或降低，而不改變原信號的特性。Page6 混頻器是射頻系統(tǒng)中用于頻率變換的部件，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域

混頻器的典型應(yīng)用是在射頻的接收系統(tǒng)中，它可以將較高頻率的射頻輸入信號變換為頻率較低的中頻輸出信號，以便更容易對信號進行后續(xù)的調(diào)整和處理。Page7 混頻器的典型應(yīng)用是在射頻的接收系統(tǒng)中，它可以將較高頻率的

本章將討論低頻晶體管振蕩器、微波振蕩器和混頻器。Page8 本章將討論低頻晶體管振蕩器、微波振蕩器和混頻器。Page

振蕩器的基本模型9.1微波振蕩器9.2混頻器9.3Page9振蕩器的基本模型9.1微波振蕩器9.2混頻器9.3Pag9.1振蕩器的基本模型

從最一般的意義上看，振蕩器是一個非線性電路，它將直流（DC）功率轉(zhuǎn)換為交流（AC）波形。Page109.1振蕩器的基本模型 從最一般的意義上看，振蕩器是一個非

振蕩器的核心是一個能夠在特定頻率上實現(xiàn)正反饋的環(huán)路，圖9.1示出了正弦振蕩器的基本工作原理。Page11 振蕩器的核心是一個能夠在特定頻率上實現(xiàn)正反饋的環(huán)路，圖9

圖中，具有電壓增益A的放大器輸出電壓為Vo(ω)，這一輸出電壓通過傳遞函數(shù)為H(ω)的反饋網(wǎng)絡(luò)，加到電路的輸入電壓Vi(ω)上，于是輸出電壓可以表示為Page12 圖中，具有電壓增益A的放大器輸出電壓為Vo(ω)，這一輸

用輸入電壓表示的輸出電壓為Page13 用輸入電壓表示的輸出電壓為Page13

由于振蕩器沒有輸入信號，若要得到非零的輸出電壓，式（9.2）的分母必須為0，這稱為巴克豪森準(zhǔn)則（Barkhausencriterion）。振蕩器由起振到穩(wěn)態(tài)依賴于不穩(wěn)定電路，這與放大器的設(shè)計不同，放大器的設(shè)計要達(dá)到最大穩(wěn)定性。Page14 由于振蕩器沒有輸入信號，若要得到非零的輸出電壓，式（9.

圖9.1振蕩器的基本結(jié)構(gòu)框圖Page15 圖9.1振蕩器的基本結(jié)構(gòu)框圖Page15

9.1.1振蕩電路的一般分析方法 振蕩電路有許多可能的形式，它們采用雙極結(jié)晶體管（BJT）或場效應(yīng)晶體管(FET)，可以是共發(fā)射極/源極、共基極/柵極或共集電極/漏極結(jié)構(gòu)，并可以采用多種形式的反饋網(wǎng)絡(luò)。Page16 9.1.1振蕩電路的一般分析方法Page16

各種形式的反饋網(wǎng)絡(luò)形成了考畢茲（Colpitts）、哈特萊（Hartley）等振蕩電路，圖92所示的基本振蕩電路可以代表這些不同電路的一般形式。Page17 各種形式的反饋網(wǎng)絡(luò)形成了考畢茲（Colpitts）、哈特

圖9.2晶體管振蕩器的一般電路Page18圖9.2晶體管振蕩器的一般電路Page18

9.1.2使用雙極結(jié)晶體管的共發(fā)射極振蕩電路 若X1和X2為電容，X3為電感，就得到了考畢茲（Colpitts）振蕩器；若X1和X2為電感，X3為電容，就得到了哈特萊（Hartley）振蕩器。Page19 9.1.2使用雙極結(jié)晶體管的共發(fā)射極振蕩電路Page

1．考畢茲（Colpitts）振蕩器Page20 1．考畢茲（Colpitts）振蕩器Page20

Page21Page21

（a）考畢茲振蕩器（b）哈特萊振蕩器圖9.3共發(fā)射極雙極結(jié)型晶體管振蕩器Page22（a）考畢茲振蕩器（b）哈特萊振蕩器Pa

Page23Page23

Page24Page24

必須強調(diào)以上的分析是基于相當(dāng)理想的假設(shè)得到的，實際振蕩器需要考慮一些其他因素，例如晶體管的輸入導(dǎo)納有虛部而不是純實數(shù)、晶體管特性隨溫度有變化、電路有耦合、電感和電容有損耗等。為考慮上述諸多因素，可以借助計算機輔助設(shè)計軟件完成設(shè)計。Page25 必須強調(diào)以上的分析是基于相當(dāng)理想的假設(shè)得到的，實際振蕩器

9.1.3使用場效應(yīng)晶體管的共柵極振蕩電路 共柵極場效應(yīng)晶體管振蕩電路，要求式（9.4）中的V1=0，同樣用V3=V4給出反饋路徑。Page26 9.1.3使用場效應(yīng)晶體管的共柵極振蕩電路Page2

另外，場效應(yīng)晶體管的輸入導(dǎo)納可以忽略，近似取Gi=0，但場效應(yīng)晶體管的輸出導(dǎo)納不能忽略，Go≠0。Page27 另外，場效應(yīng)晶體管的輸入導(dǎo)納可以忽略，近似取Gi=0，但

由以上條件，式（9.4）可以降為2階矩陣方程，變?yōu)镻age28 由以上條件，式（9.4）可以降為2階矩陣方程，變?yōu)镻ag

9.1.4晶體振蕩器 為了提高頻率穩(wěn)定性，常將石英晶體用于振蕩電路中。石英晶體諧振器具有許多優(yōu)點，包括具有極高的品質(zhì)因數(shù)（可以高達(dá)105）、良好的頻率穩(wěn)定性和良好的溫度穩(wěn)定性等，因而晶體控制振蕩器得到廣泛采用。Page29 9.1.4晶體振蕩器Page29

但遺憾的是，石英晶體諧振器屬于機械系統(tǒng)，其諧振頻率一般不能超過250MHz。Page30 但遺憾的是，石英晶體諧振器屬于機械系統(tǒng)，其諧振頻率一般不

石英晶體諧振器由安裝在2個金屬板之間的石英切片構(gòu)成。石英晶體具有在電場的作用下發(fā)生機械形變的壓電效應(yīng)，通過壓電效應(yīng)可以在晶體中激勵機械振蕩，根據(jù)晶體的幾何形狀和切割方向，石英會具有不同的縱向或切向諧振頻率。Page31 石英晶體諧振器由安裝在2個金屬板之間的石英切片構(gòu)成。石英

（a）晶體的等效電路（b）晶體諧振器的輸入電抗圖9.4石英晶體的等效電路Page32（a）晶體的等效電路（b）晶體諧振器的輸入電

圖9.5皮爾斯晶體振蕩器電路Page33圖9.5皮爾斯晶體振蕩器電路Page339.2微波振蕩器

當(dāng)工作頻率接近1GHz時，電壓和電流的波動特性不能忽略，需要采用傳輸線理論描述電路的特性，因此需要討論基于反射系數(shù)和S參量的微波振蕩器。Page349.2微波振蕩器 當(dāng)工作頻率接近1GHz時，電壓和電流的

微波振蕩器的內(nèi)部有一個有源固態(tài)器件，該器件與無源網(wǎng)絡(luò)配合，可以產(chǎn)生所需要的微波信號。由于振蕩器是在無輸入信號的條件下產(chǎn)生振蕩功率，因此具有負(fù)阻效應(yīng)。Page35 微波振蕩器的內(nèi)部有一個有源固態(tài)器件，該器件與無源網(wǎng)絡(luò)配合

若一個器件的端電壓與流過該器件的電流之間相位相差180°，該器件稱為負(fù)阻器件，微波三端口負(fù)阻器件包括雙極結(jié)型晶體管、場效應(yīng)晶體管等，微波二端口負(fù)阻器件包括隧道二極管、雪崩渡越二極管和耿氏二極管等。Page36 若一個器件的端電壓與流過該器件的電流之間相位相差180°

利用三端口負(fù)阻器件可以設(shè)計出微波雙端口振蕩器，利用二端口負(fù)阻器件可以設(shè)計出微波單端口振蕩器。Page37 利用三端口負(fù)阻器件可以設(shè)計出微波雙端口振蕩器，利用二端

9.2.1振蕩條件

1.雙端口振蕩器振蕩條件 雙端口振蕩器如圖9.6所示，由晶體管、振蕩器調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和終端網(wǎng)絡(luò)三部分組成。Page38 9.2.1振蕩條件Page38

圖9.6雙端口振蕩器的框圖Page39圖9.6雙端口振蕩器的框圖Page39

若使圖9.6所示的雙端口振蕩器產(chǎn)生振蕩，需要滿足3個條件。Page40 若使圖9.6所示的雙端口振蕩器產(chǎn)生振蕩，需要滿足3個條件

條件1：存在不穩(wěn)定有源器件（9.23a） 條件2：振蕩器左端滿足（9.23b） 條件3：振蕩器右端滿足（9.23c）Page41 條件1：存在不穩(wěn)定有源器件Page41

振蕩器的設(shè)計與放大器的設(shè)計有相似之處。但放大器有輸入信號，振蕩器無輸入信號，這導(dǎo)致兩者之間有差異。振蕩器與放大器的差異如下。Page42 振蕩器的設(shè)計與放大器的設(shè)計有相似之處。但放大器有輸入信號

（1）在放大器的情形，Γin<1、Γout<1。在振蕩器的情形，振蕩器調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和終端網(wǎng)絡(luò)由無源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，有ΓS<1、ΓT<1，所以要求Γin>1、Γout>1。Page43（1）在放大器的情形，Γin<1、Γout<1。在振蕩器

（2）在放大器的情形，穩(wěn)定性因子k>1。在振蕩器的情形，穩(wěn)定性因子k<1。Page44

（2）在放大器的情形，穩(wěn)定性因子k>1。在振蕩器的情形，

（3）在放大器的情形，希望器件具有高度穩(wěn)定性。在振蕩器的情形，希望器件具有高度不穩(wěn)定性。Page45（3）在放大器的情形，希望器件具有高度穩(wěn)定性。在振蕩器的

（4）在放大器的情形，有輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。在振蕩器的情形，有振蕩器調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和終端網(wǎng)絡(luò)，其中振蕩器調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)決定振蕩頻率，終端網(wǎng)絡(luò)將負(fù)載轉(zhuǎn)換為振蕩器所需的負(fù)載以確保振蕩產(chǎn)生。Page46（4）在放大器的情形，有輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。在振蕩器的情

（5）振蕩器的起振由任意噪聲或暫態(tài)信號觸發(fā)，但很快達(dá)到一個穩(wěn)定的振蕩狀態(tài)。振蕩器由起振到穩(wěn)態(tài)需要一個非線性有源器件完成，對振蕩器的全面分析十分復(fù)雜。Page47（5）振蕩器的起振由任意噪聲或暫態(tài)信號觸發(fā)，但很快達(dá)到一

2.單端口振蕩器振蕩條件 單端口振蕩器是雙端口振蕩器的特例。晶體管雙端口網(wǎng)絡(luò)配以適當(dāng)?shù)呢?fù)載終端，可將其轉(zhuǎn)換為單端口振蕩器，微波二極管也可以構(gòu)成單端口振蕩器。Page48 2.單端口振蕩器振蕩條件Page48么么么么方面Sds絕對是假的么么么么方面Sds絕對是假的

單端口振蕩器如圖9.7所示，圖中Zin=Rin+jXin是有源器件的輸入阻抗，ZS=RS+jXS是無源負(fù)載阻抗。Page50 單端口振蕩器如圖9.7所示，圖中Zin=Rin+jXin

圖9.7單端口振蕩器電路Page51圖9.7單端口振蕩器電路Page51

3.穩(wěn)定振蕩條件 振蕩器在起振時，僅有式（9.28）是不夠的，還要求整個電路在某一頻率ω下出現(xiàn)不穩(wěn)定，即應(yīng)有Page52 3.穩(wěn)定振蕩條件Page52

只要式（9.32）滿足，即電路總電阻小于0，振蕩器中將有對應(yīng)頻率下持續(xù)增長的電流I流過。Page53 只要式（9.32）滿足，即電路總電阻小于0，振蕩器中將有

當(dāng)電流I增加時，Rin(I,ω)+RS應(yīng)變?yōu)檩^小的負(fù)值，直到電流達(dá)到其穩(wěn)態(tài)值I0。此時Page54 當(dāng)電流I增加時，Rin(I,ω)+RS應(yīng)變?yōu)檩^小的負(fù)值，

從而使振蕩器在穩(wěn)態(tài)下運行，穩(wěn)定振蕩的頻率為ω0。Page55 從而使振蕩器在穩(wěn)態(tài)下運行，穩(wěn)定振蕩的頻率為ω0。Page

9.2.2晶體管振蕩器 晶體管振蕩器實際是工作于不穩(wěn)定區(qū)域的晶體管二端口網(wǎng)絡(luò)。把有潛在不穩(wěn)定的晶體管終端連接一個阻抗，選擇阻抗的數(shù)值在不穩(wěn)定區(qū)域驅(qū)動晶體管，就可以建立單端口負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)。Page56 9.2.2晶體管振蕩器Page56

在放大器的情形，希望器件具有高度的穩(wěn)定性；對于振蕩器，情況則恰恰相反，希望器件具有高度的不穩(wěn)定性。Page57 在放大器的情形，希望器件具有高度的穩(wěn)定性；對于振蕩器，

1.晶體管振蕩器的設(shè)計步驟 晶體管振蕩器的設(shè)計步驟如下。（1）選擇一個在期望振蕩頻率處潛在不穩(wěn)定的晶體管。Page58 1.晶體管振蕩器的設(shè)計步驟Page58

（2）選擇一個合適的晶體管電路結(jié)構(gòu)。

●對于BJT，一般常采用共基或共射的組態(tài)。

●對于FET，一般常采用共柵或共源的組態(tài)。Page59（2）選擇一個合適的晶體管電路結(jié)構(gòu)。Page59

為增強上述電路的不穩(wěn)定性，還常常配以正反饋來增加其不穩(wěn)定性。Page60 為增強上述電路的不穩(wěn)定性，還常常配以正反饋來增加其不穩(wěn)定

（3）在ΓT復(fù)平面上畫出輸出穩(wěn)定判別圓，然后在不穩(wěn)定區(qū)域中選擇一個合適的反射系數(shù)值ΓT，使其在晶體管的輸入端產(chǎn)生一個大的負(fù)阻，滿足

|Γin|>1

Page61（3）在ΓT復(fù)平面上畫出輸出穩(wěn)定判別圓，然后在不穩(wěn)定區(qū)域

即Zin<0（9.35） 由選定的反射系數(shù)值ΓT可以確定終端網(wǎng)絡(luò)。Page62即Zin<0

（4）此時電路可以視為單端口振蕩器，需要選擇調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的阻抗ZS，ZS=RS+jXS。由振蕩器起振條件式（9.32）可以得到Page63（4）此時電路可以視為單端口振蕩器，需要選擇調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的阻

Page64Page64

（5）如果輸入或輸出端口中的任何一個端口符合振蕩條件，則電路的端口都將產(chǎn)生振蕩。Page65（5）如果輸入或輸出端口中的任何一個端口符合振蕩條件，則

2.設(shè)計舉例Page66 2.設(shè)計舉例Page66

圖9.8例9.1用圖Page67圖9.8例9.1用圖Page67

圖9.9例9.2用圖Page68圖9.9例9.2用圖Page68

9.2.3二極管振蕩器 可以使用隧道二極管、雪崩渡越二極管和耿氏二極管等負(fù)阻器件構(gòu)建單端口振蕩電路。Page69 9.2.3二極管振蕩器Page69

這些振蕩電路的缺點是輸出波形較差，噪聲也比較高，但使用這些二極管構(gòu)建的振蕩電路可以方便地獲得射頻高端頻段的振蕩信號，例如耿氏二極管可以用于制造工作頻率在1～10GHz的小功率振蕩器。下面舉例說明這類振蕩電路的設(shè)計方法。Page70 這些振蕩電路的缺點是輸出波形較差，噪聲也比較高，但使用這

圖9.10例9.3用圖Page71圖9.10例9.3用圖Page71

9.2.4介質(zhì)諧振器振蕩器 介質(zhì)諧振器可以用陶瓷材料制作，這種材料具有極好的溫度穩(wěn)定度。由于這種介質(zhì)的相對介電常數(shù)在20～100之間，明顯大于空氣的相對介電常數(shù)1，所以介質(zhì)諧振器的體積在同頻率下相對較小。Page72 9.2.4介質(zhì)諧振器振蕩器Page72

但介質(zhì)諧振器一般不用于500MHz以下，因為當(dāng)頻率太低時它的尺寸太大。由BJT組成的介質(zhì)振蕩器，頻率可以高達(dá)15GHz；由場效應(yīng)管FET組成的介質(zhì)振蕩器，頻率可以高達(dá)35GHz。Page73 但介質(zhì)諧振器一般不用于500MHz以下，因為當(dāng)頻率太低時

介質(zhì)諧振器通常放在微帶線旁邊，使它與振蕩電路耦合，如圖9.11（a）所示，耦合強度取決于諧振器與微帶線之間的間隔d。介質(zhì)諧振器等效于RLC并聯(lián)諧振電路，如圖9.11（b）所示，這個并聯(lián)諧振電路表現(xiàn)為微帶線上的串聯(lián)負(fù)載。Page74 介質(zhì)諧振器通常放在微帶線旁邊，使它與振蕩電路耦合，如圖9

（a）介質(zhì)諧振器（b）等效電路圖9.11介質(zhì)諧振器及等效電路Page75（a）介質(zhì)諧振器（b）等效電路Page75

圖9.12介質(zhì)諧振器及等效電路Page76Page76

圖9.13例9.4用圖Page77圖9.13例9.4用圖Page77

Page78Page789.3混頻器

混頻器是一種頻率轉(zhuǎn)換器，可以將輸入信號的頻率升高（稱為上變頻）或降低（稱為下變頻），同時又能完好保留原信號的特性。Page799.3混頻器 混頻器是一種頻率轉(zhuǎn)換器，可以將輸入信號的

混頻器是一個三端口器件，其中2個端口輸入，一個端口輸出?；祛l器采用非線性或時變參量元件，它可以將2個不同頻率的輸入信號變?yōu)橐幌盗胁煌l率的輸出信號，輸出頻率分別為2個輸入頻率的和頻、差頻及諧波。Page80 混頻器是一個三端口器件，其中2個端口輸入，一個端口輸出。

實際混頻器通常是以二極管或晶體管的非線性為基礎(chǔ)。非線性元件能產(chǎn)生眾多的其他頻率分量，然后通過濾波選取所需的頻率分量，在混頻器中希望得到的是和頻或差頻。本節(jié)首先討論混頻器的特性；然后討論用二極管實現(xiàn)下變頻系統(tǒng)。Page81 實際混頻器通常是以二極管或晶體管的非線性為基礎(chǔ)。非線性元

9.3.1混頻器的特性Page82 9.3.1混頻器的特性Page82

（a）上變頻（b）下變頻圖9.15混頻器的符號和功能Page83（a）上變頻（b）下變頻Page83

1.上變頻 混頻器符號的意思是輸出與2個輸入信號的乘積成比例。這里將會看到這是混頻器工作的理想化觀點，實際混頻器會產(chǎn)生大量輸入信號的各種諧波。Page84 1.上變頻Page84

對于上變頻過程，本振LO信號連接混頻器的一個輸入端口，其可以表示為

（9.42）Page85 對于上變頻過程，本振LO信號連接混頻器的一個輸入端口，其

中頻IF信號連接混頻器的另一個輸入端口，其可以表示為（9.43）Page86 中頻IF信號連接混頻器的另一個輸入端口，其可以表示為Pa

（a）上變頻（b）下變頻圖9.16理想上變頻和下變頻的頻譜Page87（a）上變頻（b）下變頻Page87

2.下變頻 對于下變頻過程，與用在接收機中的一樣，RF信號為輸入信號，其形式為（9.47）Page88 2.下變頻Page88

上面是對理想混頻器的討論，輸出信號的頻率僅為2個輸入信號的和頻和差頻。實際混頻器是由二極管或晶體管構(gòu)成的，由于二極管或晶體管的非線性，輸出會有眾多的其他頻率分量，需要用濾波器選取所需的頻率分量。Page89 上面是對理想混頻器的討論，輸出信號的頻率僅為2個輸入信號

3.變頻損耗 混頻器的變頻損耗定義為可用RF輸入功率與可用IF輸出功率之比，用dB表示為（9.52）Page90 3.變頻損耗Page90

9.3.2單端二極管混頻器 僅用一個二極管產(chǎn)生所需IF信號的混頻器稱為單端二極管混頻器。Page91 9.3.2單端二極管混頻器Page91

圖9.17單端二極管混頻器的一般框圖Page92圖9.17單端二極管混頻器的一般框圖Page92

圖9.18混頻器的AC等效電路Page93圖9.18混頻器的AC等效電路Page93

9.3.3單平衡混頻器 前面討論的單端二極管混頻器雖然容易實現(xiàn)，但在寬帶應(yīng)用中不易保持輸入匹配及本振信號與射頻信號之間相互隔離，為此提出單平衡混頻器。Page94 9.3.3單平衡混頻器Page94

圖9.19示出單平衡混頻器的構(gòu)成，2個單端混頻器與一個3dB耦合器可以組成單平衡混頻器，為簡單起見，圖中省略了對二極管的偏置電路。Page95 圖9.19示出單平衡混頻器的構(gòu)成，2個單端混頻器與一個3

圖9.19單平衡混頻器Page96圖9.19單平衡混頻器Page96

第9章射頻振蕩器和混頻器Page97第9章Page1

振蕩器是所有射頻系統(tǒng)中最基本的部件之一，它可以將直流功率轉(zhuǎn)化成射頻功率，在特定的頻率點建立起穩(wěn)定的正弦振蕩，成為所需的射頻信號源。Page98 振蕩器是所有射頻系統(tǒng)中最基本的部件之一，它可以將直流功率

早期的振蕩器在低頻下使用，考畢茲（Colpitts）、哈特萊（Hartley）等結(jié)構(gòu)都可以構(gòu)成低頻振蕩器，并可以使用晶體諧振器提高低頻振蕩器的頻率穩(wěn)定性。Page99 早期的振蕩器在低頻下使用，考畢茲（Colpitts）、哈

隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)的出現(xiàn)，頻率不斷升高，現(xiàn)代射頻系統(tǒng)的載波常常超過1GHz，這就需要有與之相適應(yīng)的振蕩器。Page100 隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)的出現(xiàn)，頻率不斷升高，現(xiàn)代射頻系統(tǒng)的載波

在較高頻率處可以使用工作于負(fù)阻狀態(tài)的二極管和晶體管，并利用腔體、傳輸線或介質(zhì)諧振器等構(gòu)成振蕩器，用這種方法構(gòu)成的振蕩器可以產(chǎn)生高達(dá)100GHz的基頻振蕩。Page101 在較高頻率處可以使用工作于負(fù)阻狀態(tài)的二極管和晶體管，并利

混頻器是射頻系統(tǒng)中用于頻率變換的部件，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，其可以將輸入信號的頻率升高或降低，而不改變原信號的特性。Page102 混頻器是射頻系統(tǒng)中用于頻率變換的部件，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域

混頻器的典型應(yīng)用是在射頻的接收系統(tǒng)中，它可以將較高頻率的射頻輸入信號變換為頻率較低的中頻輸出信號，以便更容易對信號進行后續(xù)的調(diào)整和處理。Page103 混頻器的典型應(yīng)用是在射頻的接收系統(tǒng)中，它可以將較高頻率的

本章將討論低頻晶體管振蕩器、微波振蕩器和混頻器。Page104 本章將討論低頻晶體管振蕩器、微波振蕩器和混頻器。Page

振蕩器的基本模型9.1微波振蕩器9.2混頻器9.3Page105振蕩器的基本模型9.1微波振蕩器9.2混頻器9.3Pag9.1振蕩器的基本模型

從最一般的意義上看，振蕩器是一個非線性電路，它將直流（DC）功率轉(zhuǎn)換為交流（AC）波形。Page1069.1振蕩器的基本模型 從最一般的意義上看，振蕩器是一個非

振蕩器的核心是一個能夠在特定頻率上實現(xiàn)正反饋的環(huán)路，圖9.1示出了正弦振蕩器的基本工作原理。Page107 振蕩器的核心是一個能夠在特定頻率上實現(xiàn)正反饋的環(huán)路，圖9

圖中，具有電壓增益A的放大器輸出電壓為Vo(ω)，這一輸出電壓通過傳遞函數(shù)為H(ω)的反饋網(wǎng)絡(luò)，加到電路的輸入電壓Vi(ω)上，于是輸出電壓可以表示為Page108 圖中，具有電壓增益A的放大器輸出電壓為Vo(ω)，這一輸

用輸入電壓表示的輸出電壓為Page109 用輸入電壓表示的輸出電壓為Page13

由于振蕩器沒有輸入信號，若要得到非零的輸出電壓，式（9.2）的分母必須為0，這稱為巴克豪森準(zhǔn)則（Barkhausencriterion）。振蕩器由起振到穩(wěn)態(tài)依賴于不穩(wěn)定電路，這與放大器的設(shè)計不同，放大器的設(shè)計要達(dá)到最大穩(wěn)定性。Page110 由于振蕩器沒有輸入信號，若要得到非零的輸出電壓，式（9.

圖9.1振蕩器的基本結(jié)構(gòu)框圖Page111 圖9.1振蕩器的基本結(jié)構(gòu)框圖Page15

9.1.1振蕩電路的一般分析方法 振蕩電路有許多可能的形式，它們采用雙極結(jié)晶體管（BJT）或場效應(yīng)晶體管(FET)，可以是共發(fā)射極/源極、共基極/柵極或共集電極/漏極結(jié)構(gòu)，并可以采用多種形式的反饋網(wǎng)絡(luò)。Page112 9.1.1振蕩電路的一般分析方法Page16

各種形式的反饋網(wǎng)絡(luò)形成了考畢茲（Colpitts）、哈特萊（Hartley）等振蕩電路，圖92所示的基本振蕩電路可以代表這些不同電路的一般形式。Page113 各種形式的反饋網(wǎng)絡(luò)形成了考畢茲（Colpitts）、哈特

圖9.2晶體管振蕩器的一般電路Page114圖9.2晶體管振蕩器的一般電路Page18

9.1.2使用雙極結(jié)晶體管的共發(fā)射極振蕩電路 若X1和X2為電容，X3為電感，就得到了考畢茲（Colpitts）振蕩器；若X1和X2為電感，X3為電容，就得到了哈特萊（Hartley）振蕩器。Page115 9.1.2使用雙極結(jié)晶體管的共發(fā)射極振蕩電路Page

1．考畢茲（Colpitts）振蕩器Page116 1．考畢茲（Colpitts）振蕩器Page20

Page117Page21

（a）考畢茲振蕩器（b）哈特萊振蕩器圖9.3共發(fā)射極雙極結(jié)型晶體管振蕩器Page118（a）考畢茲振蕩器（b）哈特萊振蕩器Pa

Page119Page23

Page120Page24

必須強調(diào)以上的分析是基于相當(dāng)理想的假設(shè)得到的，實際振蕩器需要考慮一些其他因素，例如晶體管的輸入導(dǎo)納有虛部而不是純實數(shù)、晶體管特性隨溫度有變化、電路有耦合、電感和電容有損耗等。為考慮上述諸多因素，可以借助計算機輔助設(shè)計軟件完成設(shè)計。Page121 必須強調(diào)以上的分析是基于相當(dāng)理想的假設(shè)得到的，實際振蕩器

9.1.3使用場效應(yīng)晶體管的共柵極振蕩電路 共柵極場效應(yīng)晶體管振蕩電路，要求式（9.4）中的V1=0，同樣用V3=V4給出反饋路徑。Page122 9.1.3使用場效應(yīng)晶體管的共柵極振蕩電路Page2

另外，場效應(yīng)晶體管的輸入導(dǎo)納可以忽略，近似取Gi=0，但場效應(yīng)晶體管的輸出導(dǎo)納不能忽略，Go≠0。Page123 另外，場效應(yīng)晶體管的輸入導(dǎo)納可以忽略，近似取Gi=0，但

由以上條件，式（9.4）可以降為2階矩陣方程，變?yōu)镻age124 由以上條件，式（9.4）可以降為2階矩陣方程，變?yōu)镻ag

9.1.4晶體振蕩器 為了提高頻率穩(wěn)定性，常將石英晶體用于振蕩電路中。石英晶體諧振器具有許多優(yōu)點，包括具有極高的品質(zhì)因數(shù)（可以高達(dá)105）、良好的頻率穩(wěn)定性和良好的溫度穩(wěn)定性等，因而晶體控制振蕩器得到廣泛采用。Page125 9.1.4晶體振蕩器Page29

但遺憾的是，石英晶體諧振器屬于機械系統(tǒng)，其諧振頻率一般不能超過250MHz。Page126 但遺憾的是，石英晶體諧振器屬于機械系統(tǒng)，其諧振頻率一般不

石英晶體諧振器由安裝在2個金屬板之間的石英切片構(gòu)成。石英晶體具有在電場的作用下發(fā)生機械形變的壓電效應(yīng)，通過壓電效應(yīng)可以在晶體中激勵機械振蕩，根據(jù)晶體的幾何形狀和切割方向，石英會具有不同的縱向或切向諧振頻率。Page127 石英晶體諧振器由安裝在2個金屬板之間的石英切片構(gòu)成。石英

（a）晶體的等效電路（b）晶體諧振器的輸入電抗圖9.4石英晶體的等效電路Page128（a）晶體的等效電路（b）晶體諧振器的輸入電

圖9.5皮爾斯晶體振蕩器電路Page129圖9.5皮爾斯晶體振蕩器電路Page339.2微波振蕩器

當(dāng)工作頻率接近1GHz時，電壓和電流的波動特性不能忽略，需要采用傳輸線理論描述電路的特性，因此需要討論基于反射系數(shù)和S參量的微波振蕩器。Page1309.2微波振蕩器 當(dāng)工作頻率接近1GHz時，電壓和電流的

微波振蕩器的內(nèi)部有一個有源固態(tài)器件，該器件與無源網(wǎng)絡(luò)配合，可以產(chǎn)生所需要的微波信號。由于振蕩器是在無輸入信號的條件下產(chǎn)生振蕩功率，因此具有負(fù)阻效應(yīng)。Page131 微波振蕩器的內(nèi)部有一個有源固態(tài)器件，該器件與無源網(wǎng)絡(luò)配合

若一個器件的端電壓與流過該器件的電流之間相位相差180°，該器件稱為負(fù)阻器件，微波三端口負(fù)阻器件包括雙極結(jié)型晶體管、場效應(yīng)晶體管等，微波二端口負(fù)阻器件包括隧道二極管、雪崩渡越二極管和耿氏二極管等。Page132 若一個器件的端電壓與流過該器件的電流之間相位相差180°

利用三端口負(fù)阻器件可以設(shè)計出微波雙端口振蕩器，利用二端口負(fù)阻器件可以設(shè)計出微波單端口振蕩器。Page133 利用三端口負(fù)阻器件可以設(shè)計出微波雙端口振蕩器，利用二端

9.2.1振蕩條件

1.雙端口振蕩器振蕩條件 雙端口振蕩器如圖9.6所示，由晶體管、振蕩器調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和終端網(wǎng)絡(luò)三部分組成。Page134 9.2.1振蕩條件Page38

圖9.6雙端口振蕩器的框圖Page135圖9.6雙端口振蕩器的框圖Page39

若使圖9.6所示的雙端口振蕩器產(chǎn)生振蕩，需要滿足3個條件。Page136 若使圖9.6所示的雙端口振蕩器產(chǎn)生振蕩，需要滿足3個條件

條件1：存在不穩(wěn)定有源器件（9.23a） 條件2：振蕩器左端滿足（9.23b） 條件3：振蕩器右端滿足（9.23c）Page137 條件1：存在不穩(wěn)定有源器件Page41

振蕩器的設(shè)計與放大器的設(shè)計有相似之處。但放大器有輸入信號，振蕩器無輸入信號，這導(dǎo)致兩者之間有差異。振蕩器與放大器的差異如下。Page138 振蕩器的設(shè)計與放大器的設(shè)計有相似之處。但放大器有輸入信號

（1）在放大器的情形，Γin<1、Γout<1。在振蕩器的情形，振蕩器調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和終端網(wǎng)絡(luò)由無源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，有ΓS<1、ΓT<1，所以要求Γin>1、Γout>1。Page139（1）在放大器的情形，Γin<1、Γout<1。在振蕩器

（2）在放大器的情形，穩(wěn)定性因子k>1。在振蕩器的情形，穩(wěn)定性因子k<1。Page140

（2）在放大器的情形，穩(wěn)定性因子k>1。在振蕩器的情形，

（3）在放大器的情形，希望器件具有高度穩(wěn)定性。在振蕩器的情形，希望器件具有高度不穩(wěn)定性。Page141（3）在放大器的情形，希望器件具有高度穩(wěn)定性。在振蕩器的

（4）在放大器的情形，有輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。在振蕩器的情形，有振蕩器調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和終端網(wǎng)絡(luò)，其中振蕩器調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)決定振蕩頻率，終端網(wǎng)絡(luò)將負(fù)載轉(zhuǎn)換為振蕩器所需的負(fù)載以確保振蕩產(chǎn)生。Page142（4）在放大器的情形，有輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。在振蕩器的情

（5）振蕩器的起振由任意噪聲或暫態(tài)信號觸發(fā)，但很快達(dá)到一個穩(wěn)定的振蕩狀態(tài)。振蕩器由起振到穩(wěn)態(tài)需要一個非線性有源器件完成，對振蕩器的全面分析十分復(fù)雜。Page143（5）振蕩器的起振由任意噪聲或暫態(tài)信號觸發(fā)，但很快達(dá)到一

2.單端口振蕩器振蕩條件 單端口振蕩器是雙端口振蕩器的特例。晶體管雙端口網(wǎng)絡(luò)配以適當(dāng)?shù)呢?fù)載終端，可將其轉(zhuǎn)換為單端口振蕩器，微波二極管也可以構(gòu)成單端口振蕩器。Page144 2.單端口振蕩器振蕩條件Page48么么么么方面Sds絕對是假的么么么么方面Sds絕對是假的

單端口振蕩器如圖9.7所示，圖中Zin=Rin+jXin是有源器件的輸入阻抗，ZS=RS+jXS是無源負(fù)載阻抗。Page146 單端口振蕩器如圖9.7所示，圖中Zin=Rin+jXin

圖9.7單端口振蕩器電路Page147圖9.7單端口振蕩器電路Page51

3.穩(wěn)定振蕩條件 振蕩器在起振時，僅有式（9.28）是不夠的，還要求整個電路在某一頻率ω下出現(xiàn)不穩(wěn)定，即應(yīng)有Page148 3.穩(wěn)定振蕩條件Page52

只要式（9.32）滿足，即電路總電阻小于0，振蕩器中將有對應(yīng)頻率下持續(xù)增長的電流I流過。Page149 只要式（9.32）滿足，即電路總電阻小于0，振蕩器中將有

當(dāng)電流I增加時，Rin(I,ω)+RS應(yīng)變?yōu)檩^小的負(fù)值，直到電流達(dá)到其穩(wěn)態(tài)值I0。此時Page150 當(dāng)電流I增加時，Rin(I,ω)+RS應(yīng)變?yōu)檩^小的負(fù)值，

從而使振蕩器在穩(wěn)態(tài)下運行，穩(wěn)定振蕩的頻率為ω0。Page151 從而使振蕩器在穩(wěn)態(tài)下運行，穩(wěn)定振蕩的頻率為ω0。Page

9.2.2晶體管振蕩器 晶體管振蕩器實際是工作于不穩(wěn)定區(qū)域的晶體管二端口網(wǎng)絡(luò)。把有潛在不穩(wěn)定的晶體管終端連接一個阻抗，選擇阻抗的數(shù)值在不穩(wěn)定區(qū)域驅(qū)動晶體管，就可以建立單端口負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)。Page152 9.2.2晶體管振蕩器Page56

在放大器的情形，希望器件具有高度的穩(wěn)定性；對于振蕩器，情況則恰恰相反，希望器件具有高度的不穩(wěn)定性。Page153 在放大器的情形，希望器件具有高度的穩(wěn)定性；對于振蕩器，

1.晶體管振蕩器的設(shè)計步驟 晶體管振蕩器的設(shè)計步驟如下。（1）選擇一個在期望振蕩頻率處潛在不穩(wěn)定的晶體管。Page154 1.晶體管振蕩器的設(shè)計步驟Page58

（2）選擇一個合適的晶體管電路結(jié)構(gòu)。

●對于BJT，一般常采用共基或共射的組態(tài)。

●對于FET，一般常采用共柵或共源的組態(tài)。Page155（2）選擇一個合適的晶體管電路結(jié)構(gòu)。Page59

為增強上述電路的不穩(wěn)定性，還常常配以正反饋來增加其不穩(wěn)定性。Page156 為增強上述電路的不穩(wěn)定性，還常常配以正反饋來增加其不穩(wěn)定

（3）在ΓT復(fù)平面上畫出輸出穩(wěn)定判別圓，然后在不穩(wěn)定區(qū)域中選擇一個合適的反射系數(shù)值ΓT，使其在晶體管的輸入端產(chǎn)生一個大的負(fù)阻，滿足

|Γin|>1

Page157（3）在ΓT復(fù)平面上畫出輸出穩(wěn)定判別圓，然后在不穩(wěn)定區(qū)域

即Zin<0（9.35） 由選定的反射系數(shù)值ΓT可以確定終端網(wǎng)絡(luò)。Page158即Zin<0

（4）此時電路可以視為單端口振蕩器，需要選擇調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的阻抗ZS，ZS=RS+jXS。由振蕩器起振條件式（9.32）可以得到Page159（4）此時電路可以視為單端口振蕩器，需要選擇調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的阻

Page160Page64

（5）如果輸入或輸出端口中的任何一個端口符合振蕩條件，則電路的端口都將產(chǎn)生振蕩。Page161（5）如果輸入或輸出端口中的任何一個端口符合振蕩條件，則

2.設(shè)計舉例Page162 2.設(shè)計舉例Page66

圖9.8例9.1用圖Page163圖9.8例9.1用圖Page67

圖9.9例9.2用圖Page164圖9.9例9.2用圖Page68

9.2.3二極管振蕩器 可以使用隧道二極管、雪崩渡越二極管和耿氏二極管等負(fù)阻器件構(gòu)建單端口振蕩電路。Page165 9.2.3二極管振蕩器Page69

這些振蕩電路的缺點是輸出波形較差，噪聲也比較高，但使用這些二極管構(gòu)建的振蕩電路可以方便地獲得射頻高端頻段的振蕩信號，例如耿氏二極管可以用于制造工作頻率在1～10GHz的小功率振蕩器。下面舉例說明這類振蕩電路的設(shè)計方法。Page166 這些振蕩電路的缺點是輸出波形較差，噪聲也比較高，但使用這

圖9.10例9.3用圖Page167圖9.10例9.3用圖Page71

9.2.4介質(zhì)諧振器振蕩器 介質(zhì)諧振器可以用陶瓷材料制作，這種材料具有極好的溫度穩(wěn)定度。由于這種介質(zhì)的相對介電常數(shù)在20～100之間，明顯大于空氣的相對介電常數(shù)1，所以介質(zhì)諧振器的體積在同頻率下相對較小。Page168 9.2.4介質(zhì)諧振器振蕩器Page72

但介質(zhì)諧振器一般不用于500MHz以下，因為當(dāng)頻率太低時它的尺寸太大。由BJT組成的介質(zhì)振蕩器，頻率可以高達(dá)15GHz；由場效應(yīng)管FET組成的介質(zhì)振蕩器，頻率可以高達(dá)35GHz。Page169 但介質(zhì)諧振器一般不用于500MHz以下，因為當(dāng)頻率太低時

介質(zhì)諧振器通常放在微帶線旁邊，使它與振蕩電路耦合，如圖9.11（a）所示，耦合強度取決于諧振器與微帶線之間的間隔d。介質(zhì)諧振器等效于RLC并聯(lián)諧振電路，如圖9.11（b）所示，這個并聯(lián)諧振電路表現(xiàn)為微帶線上的串聯(lián)負(fù)載。Page170 介質(zhì)諧振器通常放在微帶線旁邊，使它與振蕩電路耦合，如圖9

（a）介質(zhì)諧振器（b）等效電路圖9.11介質(zhì)諧振器及等效電路Page171（a）介質(zhì)諧振器（b）等效電路Page75

圖9.1