通信射频电路-射频振荡器-33-35

电子科技大学第十章射频振荡器•本章内容•射频振荡器工作原理•射频振荡器主要技术指标•射频振荡器类型和基本电路•射频振荡器设计方法掌握射频振荡器工作原理，射频振荡器的起振条件和稳定振荡条件,主要技术指标，射频振荡器基本电路拓扑结构,射频振荡器设计方法和性能仿真方法。电子科技大学射频振荡器是射频/微波/毫米波电子系统中一个必不可少的器件，提供原始信号。一个电子系统中往往需要多个射频振荡器。1.提供通信/雷达等电子系统的载波或变频本振;2.提供系统时钟;3.系统同步。•射频振荡器功能振荡?两个状态或两个条件之间的周期变动。•振荡器使用的器件1.二端器件(Gunn,IMPATT,etc.)2.三端器件(BJT,HBT,MESFET,etc.)电子科技大学•振荡器分类按工作原理和分析方法可分为两大类1.反馈型振荡器2.负阻型振荡器5.8GHz注锁振荡器电路，结构，测试性能电子科技大学&10.2振荡器原理及电路•振荡器原理1.反馈原理2.负电阻原理振荡器的反馈模型+-i+-Rvs振荡器的负电阻模型反馈振荡器负阻振荡器•振荡器分类22RvPiRR电子科技大学&7.1反馈型振荡器•反馈型振荡器结构1.放大电路;2.反馈网络;3.选频回路;4.电源.合成+选频放大器反馈网络Vi+-V2V3βV4Ad24433233,,,11iddoutdildiidVVVVVVAVAVVAVVAAVVA电子科技大学若对某个频率:βAd=-1,31outdliidVVAAVVAAl：闭环电路增益T：开环电路增益dAT31outdliidVVAAVVA电路将自激振荡，不需要外部输入信号。→∞电路要起振，反馈环路的净增益必须大于或等于1，环路中信号的净相移必须是360°的正整数倍（正反馈）。•Barkhause准则-振荡条件T(jω)=-1→Al(jω)=∞•起振条件电子科技大学由于振荡器是正反馈，因此起振之初，输出信号势必越来越大，信号最终稳定必须满足幅度和相位的稳定条件。•振荡稳定条件•振幅稳定条件稳定时|T(jω)|=1,且为了确保vo幅值不变还应有()0oiTjv稳定点1稳定点vi|T(jω)|起振条件:|T(jω)|1开环增益越大越易起振!电子科技大学•相位稳定条件0002TAFn()0Too=幅度和相位稳定条件确立了幅度和相位在低于稳定点为正反馈，超过稳定点为负反馈。•反馈型振荡器设计要点1.合适的放大器(可变增益)2.正反馈支路3.选频网络4.负斜率相频特性.电子科技大学vR+-i+-Rvs电阻R上的电流I的流向与电压降vR一致，因此其消耗功率，呈现正电阻特性。22RvPiRR&7.2负电阻振荡器对于信号源，其上的压降与电流方向相反，输出功率，在上图中其消耗的是负功率。2sssvPviR等效为一负电阻!除了信号源之外，某些器件的I-V特性也等效为一个负电阻,即器件的伏安特性出现负斜率段。电子科技大学iv负阻段电压型iv负阻段电流型常见的呈现负阻特性的器件有隧道二极管和双基极二极管。ZFETZLZfgQ1CLQ2ReVccCL-Rs电子科技大学在图示的电路中，位于任意位置的平面AB将电路切割为左右两部分，Zs和ZL分别为左右两部分电路的输入阻抗（最常用的选择是将参考平面放置在谐振器和晶体管之间）.ZFETZLZfg•负电阻振荡器分析方法电子科技大学sisdsdssvZiZii)(gsisvZissidsmsdsiviZZgiZZ)(sssivZidsmdsiZZgZZjXsRs0sLZZ•振荡条件电子科技大学有源电路单元(ZS)的负电阻和电抗必须与ZL的电阻和电抗在幅值上相等，符号相反。为了起振，负电阻的幅值应大于小信号条件下得到的幅值。由于振荡电路中有更多的负电阻，振荡将持续增长，振荡振幅持续增大，然有源器件的非线性将导致负电阻的量值减小，直到达到稳态的量值。•负电阻振荡器的振荡条件1.建立适当的静态工作点，使器件工作在负阻特性区间,满足2.满足振荡稳定条件（类似Barkhouse准则）0sLZZ电子科技大学•负电阻振荡器特点1.工作频率较高，可达100GHz以上;2.电路形式简单;3.设计难度较高.•常见负阻振荡器微带振荡器，介质腔体振荡器，YIG振荡器，耿氏二极管振荡器等GDSGDSLfCf•产生负电阻的基本电路拓扑电子科技大学&7.3振荡器主要性能指标1.工作频率ωo2.输出电平（功率）3.频率准确度00011100100MHzffHzMHzffHz常用相对频偏来衡量1PPm(e-6)4.频率稳定度指在规定的时间间隔内，输出频率偏离标称值的大小，分长期、短期和瞬间稳定度三种。电子科技大学时域：主要用于阿伦方差表征频域：相位噪声5.频谱纯度(失真度)指输出信号接近理想的标准信号的程度，一般用杂散分量(包括谐波)和相位噪声来衡量。6.效率与功耗DC-RF的转换效率整个系统消耗的功率7.体积与成本电子科技大学&7.4振荡器基本电路•文氏电桥振荡器利用超前/滞后网络作反馈支路的振荡器。+-R2C2R1C1RiRf=2RiA超前滞后网络Voutiv2v1v电子科技大学反馈网络的转移特性曲线1212,RRCC012fRCf01/3F(jω)f平衡时0iv对v1同相放大，对v2反相放大113foutiRVvR同相增益反相增益213foutiRVvRRf、Ri提供负反馈,超前/滞后网络提供正反馈电子科技大学开环增益1()313Tj常用在5K-1MHz工作频率范围,作低频信号发生器，信号稳定度差！•互感LC振荡器ReRb1C等效振荡回路Rb2C∞C∞C∞Vcc电子科技大学利用互感提供反馈，应注意互感的同名端。共发电路为反相放大，则反馈应倒相才能构成正反馈。共基电路为同相放大，则反馈应同相才能构成正反馈。多用于收音机本振，工作频率也不高，信号频率稳定度也较差。实际制作调谐放大器时，应特别小心，避免信号因电路排版或空间辐射引起回授，从而导致寄生振荡产生。•三端振荡器在三端晶体管的三个外接点（输入、输出、地）之间分别接以不同电抗元件构成的振荡器.电子科技大学AX3X2X1理论分析表明要满足相位稳定条件，X1与X2、X3必须异性（感、容）。振荡频率由X1与X2、X3构成的回路谐振频率决定。特点：工作频率高，稳定度更好。三端振荡器拓扑结构电子科技大学•Hartley振荡器（电感三端振荡器）121LLLCC012fLCL1L2C1Hartley振荡器拓扑及电路L1L2C1C3R2R1L∞C2VccHartley振荡器工作特性主要由电感抽头（L1L2的比值）决定。反馈能量太小，不易振荡，反馈能量太大，晶体管要饱和，回路品质因数下降，影响频率稳定度。电子科技大学振荡器的频率调整主要靠改变L1、L2的电感量。由于后接放大器通常输入端为容性负载，因此振荡频率易受负载的影响。•Copitts振荡器（电容三端振荡器）LC1C2LC1C3R2R1L∞C2Vcc01212111fLCCCCCopitts振荡器拓扑及电路电子科技大学Copitts振荡器反馈系数取决于C1、C2的比值。当振荡频率较高时，改变频率要改变C1、C2，从而会影响反馈比。•Clapp振荡器（改进型Copitts振荡器）Clapp振荡器拓扑LC1C2C3X10123312121111,fLCCCCCCCC电子科技大学Clapp振荡器中C3远小于C1、C2，从而振荡频率主要取决于C3、L。而C1、C2决定反馈系数，可以取值较大，电路振荡频率不易受后级影响，振荡频率调整方便，因此为实际电路较多采用。•电压控制振荡器（VCO）VCO电路电子科技大学VCO是现代频率合成器中的一个重要的基本组成部件,原理是振荡回路中电抗元件（主要是电容）随控制电压变化，从而改变输出频率。VcVc高Vc低f低f高f电子科技大学•压控振荡器主要技术指标（1）尽可能低的相位噪声←质量指标（2）频率的相对覆盖应满足要求(针对控制电压范围)5310~10off1%~100%off晶体压控振荡器VCXOLCVCO（3）压控频率特性曲线的非线性尽可能小。太大可能导致环路参数急剧变化，从而引起不稳定。电子科技大学非线性系数Kn定义cVCOnVCOcdfdVKKKdfdV低低高高斜率之比在频率合成器中1112~41~42nnKK或Kn的大小取决于a.变容管特性;b.变容管接入方式;c.Vc的变化范围.（4）输出幅度应尽可能平稳（有助于谐波抑制）。电子科技大学&7.5振荡器的相位噪声•振荡器输出功率谱24()12sosLkTRFfSfVQf电子科技大学•振荡器相位噪声根源热噪声和闪烁噪声闪烁噪声是基带(低频)噪声，由于有源器件的非线性,将其上变频到载波频率附近.振荡器闭环和开环时的噪声频谱电子科技大学低相位噪声振荡器设计振荡器的主要设计目标之一就是低相位噪声。对三端振荡器输出信号的相位噪声为24()12sosLkTRFfSfVQf欲降低相位噪声，则须提高QL。除要求振荡回路元件空载品质因数尽可能高之外，电路设计的原则是尽可能的减小放大器对振荡回路引入的损耗。设计中应使放大器始终工作在线性放大区间，不能出现饱和状态。电子科技大学低噪声振荡器要求尽可能高的有载品质因素，高的空载品质因素是前提。一般而言，谐振回路中的电容的品质因数都远高于电感，故决定品质因数的元件主要是电感或等效电感。以石英晶体为代表的压电晶体器件（工作于感性区域）就具有较高的空载品质因数。一般的电感Ql:20-80粗铜线绕制电感Ql:100-400石英晶体Ql:10000-300000电子科技大学•有源器件选择振荡器性能很大程度上取决于所选用的有源器件是否适当。大多数振荡器使用硅双极型晶体管或GaAs器件。有源器件在所需频带内能否产生足够的负阻或是前向增益很重要!对不同应用及要求，闪烁噪声，输出功率等因数也应考虑到。•GaAsFET与硅双极型晶体管(BJT)GaAsFET有高振荡频率，高增益，高输出功率和高效率优点!硅双极型晶体管有较低的闪烁噪声,用于低相位噪声振荡器!&7.5射频振荡器设计电子科技大学•异质结双极性晶体管(HBT)HBT在微波和毫米波电路中表现出了出色的增益和噪声性能,HBT的垂直结构消除了FET的表面状态问题，有更好的相位噪声特性。HBT跨导高，能在宽频带内产生负电阻，主要用于宽带可调振荡器。HBT截止电压高，电流处理能力强，振荡器具有高输出功率。SiGe双极型技术可以超过普通硅器件,提供与GaAs等同的性能，兼具硅的低价性和批量生产优点。•SiGe双极型晶体管电子科技大学•偏置电路设计1.偏置电路设计一般独立于射频电路设计。2.主要关注功率效率、稳定性和易用性。3.设计低相噪振荡器时，偏置电路需要仔细选择以避免任何不希望的调制信号和噪声注入。MESFET振荡器偏置电路电子科技大学•振荡器电路设计与仿真实际的振荡器是非线性器件，小信号仿真能保证振荡条件和振荡频率,但无法准确预测输出功率。•小信号设计与仿真•大信号设计与仿真三种主要设计方法1.时域法;2.谐波平衡法;3.Volterra级数法。电子科技大学Clapp振荡器基本参数选择2233231~10,||50~2003~10LXXXXXXX例如2333008020200LCXXXXAX3X2X1LC1C2C3X1(1)90/(100)140/()2()PNKHzdBcHzPNKHzdBcHzPNfSf电子科技大学•石英晶体的等效电路LC1RC2L是等效电感(mH量级),C1为等效电容，R为等效电阻（101量级）,C2为等效支架电容(5pF).石英晶体有两个谐振频率串联谐振频率并联谐振频率1212121111,()2s