第17章振荡器.

2019/12/201振荡器Oscillators张艺蒙西安电子科技大学微电子学院[e-mail]2019/12/202（1）定义：振荡器是一种不需外加信号激励而能自动将直流能量变换为周期性交变能量的装置。（2）分类：按振荡波形分类：振荡器分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。输出波形接近于理想正弦波的称为正弦波振荡器，波形为方波、矩形波或其它波形的称为非正弦波振荡器。按工作机理分类：根据产生振荡的机理，正弦振荡器还可分为反馈振荡器和负阻振荡器。按选频网络分类：分为RC振荡器、LC振荡器、晶体振荡器以及压控振荡器（VCO）、压控晶体振荡器（VCXO）等。随着集成技术的发展，相继又出现了集成振荡器、开关电容振荡器等。一、振荡器概述2019/12/203（3）应用：无线电发射机用它产生载荷信息的载波信号。超外差接收机用它产生本地振荡信号。各种电子测量设备和计时仪表用它产生频率（或时间）基准信号工业生产部门广泛应用的高频电加热设备等。（4）基本构成：一个由储能元件构成的决定振荡频率的选频网络。一个在规定频段内具有能量变换（或放大）作用的换能机构。（有源器件--放大器）一个有助于补充元器件能量损耗和保证振荡器工作稳定的反馈电路。一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件。事实上，在晶体管正弦振荡器中，晶体管既起着能量变换的作用，又起着调整和控制振荡强度的非线性作用。振荡器概述2019/12/204振荡条件相位判据：∠T(ω)=360°2019/12/205振荡器的稳定条件实用振荡器：振荡频率（振荡周期）和振荡幅度必须稳定，振荡器在稳定工作时（达到平衡状态），需要满足振幅稳定性条件和相位稳定性条件在振荡器的起振阶段，环路增益|T(ω)|要大于1（振荡器的起振条），保证振荡器能将微小的噪声放大为稳定的周期性输出信号􀂋考虑到温度和工艺的变化，在振荡频率处的环路增益设计为必须值的2～3倍􀂋当环路中的信号振幅增加到一定程度后，振荡器中有源器件存在的非线性会限制振幅的继续增加，使得振荡器的输出达到稳定，这是一个非线性过程要使满足Barkhausen判据的反馈系统成为一个实用的振荡器，反馈系统必须包含有某种频率选择功能，使得该振荡器仅在我们所需要的频率处振荡􀂋LC谐振电路：反馈网络采用LC谐振电路􀂋环型振荡器：使得反馈系统的环路传输函数仅在一个频率点上满足Barkhausen判据2019/12/206振幅稳定性条件•振幅稳定性条件的关键是在平衡点附件，环路增益幅度随振幅的变化特性具有负的斜率•有源器件的非线性具有稳定振荡幅度的作用•振幅平衡条件受到破坏时，振荡器本身能重新建立起振幅平衡点的条件，若能建立，则振荡器仍能保持稳定的振荡2019/12/207软自激与硬自激软自激：不需要外加激励，依靠振荡器内部电路的噪声便可自激（一个振幅平衡点）硬自激：需要外加一个冲击信号才能起振的现象（两个振幅平衡点，其一个为不稳定平衡点）自动幅度控制技术2019/12/208相位稳定性条件2019/12/209二、负阻振荡器LCResonance2019/12/2010LCResonance理想振荡器的输出是标准的正弦信号，电流信号滞后电压相位90°2019/12/2011LCOscillators2019/12/2012PracticalDesignIssues2019/12/2013PracticalDesignIssues2019/12/2014PracticalDesignIssues2019/12/2015PracticalDesignIssues2019/12/2016NegativeResistorDesign2019/12/2017负阻的概念正电阻与负电阻都必须是对交流来说。负电阻在直流特性V/I永远为正值，所以负电阻是将直流能量转化为交流能量。正反馈可以形成负阻1GGGMVZiG2019/12/2018负阻振荡器的基本原理1.为了产生振荡，负阻Rn的阻值必须小于等于LRC回路的等效并联阻抗RP2.当它们阻值相等时，电路产生等幅的振荡信号，能量在电感和电容之间互相转换，而回路损耗所消耗的能量由负阻提供。3.当Rn的阻值小于RP时，负阻提供的能量大于LRC回路消耗的能量，振荡信号幅度逐渐增加4.当负阻由有源器件（电路）来实现时，有源器件（电路）本身固有的非线性会限制振荡信号幅度不能无限制增长，最终振荡信号会稳定在某一个固定的振荡幅度上2019/12/2019LC振荡电路的实现振荡频率振荡条件类型：负阻型LC振荡器、反馈型LC振荡器12fLC1MPGR2019/12/2020RealLCOscillators2019/12/2021常用的负阻振荡器电路2019/12/2022三、反馈型LC振荡器振荡原理：有源器件提供振荡要求的正反馈，而谐振电路提供频率选择功能。典型电路结构：2019/12/2023􀂋有源器件提供振荡要求的正反馈，而谐振电路提供频率选择功能，它们之间的不同仅在于谐振电路的构成方式上􀂋反馈型LC振荡器中仅有一个有源器件，因此它们可以产生很高的振荡频率，并具有优良的噪声性能􀂋起振对有源器件的跨导要求要高很多，导致功耗很大􀂋晶体管也可以采取共源结构或者共漏结构，这时反馈信号从晶体管漏端反馈到晶体管栅极或者从晶体管源极反馈到晶体管栅极2019/12/2024Colpitts振荡器图中阻抗Rp代表谐振电路的损耗，电流源给晶体管提供偏置电流，由于采用LC谐振电路来选择振荡频率，因此理想输出是一个正弦波。输出经过C1分压得到V1反馈到晶体管源极形成正反馈。分析方法，求出闭环传递函数Vout/Iin，使分母为零。2019/12/2025Colpitts振荡器流过C1的电流为因此流过C2的电流为在输出端应用KCL定律整理得到闭环传输函数2019/12/2026Colpitts振荡器令分母为0，得到一般情况下，解得振荡频率为晶体管大信号跨导为通过这个公式可以得到当C1/C2=1时，达到最小值该式是振荡器维持稳定振荡所应满足的条件，决定了晶体管的大信号跨导值晶体管的小信号跨导gm通常被设计为上式确定值的5倍左右在确定了晶体管的小信号跨导后，由偏置电流和MOS管的I-V方程就可以确定晶体管的尺寸和过驱动电压2019/12/20272019/12/2028Colpitts振荡器的设计步骤1.根据振荡频率要求，求得C1,C2,Lp的参数值，这里最好选取C1=C2,因为这时晶体管的跨导要求最小，也就是最低的功耗。2.由无源器件的值，估算出阻抗Rp，求出晶体管的大信号跨导Gm，考虑到设计余量问题，选取晶体管的小信号跨导=5Gm，然后根据偏置电流确定晶体管的尺寸和过驱动电压。当晶体管源极输入一个大信号正弦波3.将晶体管大信号跨导带入前式，得到由于因此Colpitts振荡器的振荡幅度为2019/12/2029四、晶体振荡器晶体是一种压电材料，可以在力学应变和电荷之间进行交易转换。这种能量交换在一特殊的频率上效率最高，该频率称为谐振频率fs。2019/12/2030晶体振荡器从晶体的等效电路图中可以看到，晶体同时具有串联与并联谐振电路。串联谐振与并联谐振电路的阻抗及相位示意图如下2019/12/2031晶体振荡器写出晶体的阻抗表达式1sssLC1(1)sPpssCCLC2019/12/2032晶体振荡器可以看出晶体在两个谐振频率中间表现为电感，用这个电感和一个具有容性的放大器（正反馈）组成振荡器。2019/12/2033五、压控振荡器许多应用要求振荡器是可调谐的，即它们的振荡频率是一个控制输入信号的函数。对于LC振荡器来说，谐振频率频率调谐方法，改变L或者C。集成电路中一般改变C的值。使用容抗管：反向pn结、反型区MOS管和积累区MOS管。2019/12/2034压控振荡器Pn结电容：特点：调谐范围较小，但具有较高的品质因子，线性度较高。2019/12/2035压控振荡器反型区MOS：品质因子较小，电容可变范围较小。耗尽-积累区MOS容抗管：电容可变范围较大相对与反向pn结，品质因子较小，线性度也较差。2019/12/20362019/12/2037MOS容抗管作调谐元件的LC电压控制振荡器2019/12/2038六、环路振荡器环形振荡器可以采用纯数字CMOS工艺实现，不需要电感，广泛使用在单片集成电路中。振荡条件：奇数个反向器构成。以三级环型振荡器为例：每一级的传输函数为，其中，3dB带宽则振荡器的环路增益为2019/12/2039环路振荡器为了产生振荡，每一级反相器引入的交流必须为60°，在振荡频率处，环路增益幅度必须大于1，解的2019/12/2040三级环型振荡器要求振荡频率100MHz设计步骤：1.根据振荡频率确定每一级的3dB带宽为60MHz，由，初步确定R、C的值。2.由，设定晶体管跨导值。3.根据偏置电流与跨导计算出晶体管的W,L。2019/12/2041三级环型振荡器