通信電子線路 第5章 振蕩器課件

《通信電子線路》

(第2版)顧寶良編著5．1引言*5．2反饋振蕩器的工作原理*5．3LC正弦波振蕩器*5．4振蕩器的頻率穩(wěn)定度*5．5晶體振蕩器5．6壓控振蕩器(VCO)5．7 集成振蕩器 5．1引言根據(jù)所產(chǎn)生的波形又可以分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器；根據(jù)輸出選頻網(wǎng)絡(luò)的不同，又可分為L(zhǎng)C振蕩器、RC振蕩器和晶體振蕩器等等。介紹壓控振蕩器、集成振蕩器以及正交信號(hào)的產(chǎn)生。正弦波振蕩器廣泛用于通信和各種電子設(shè)備中，對(duì)振蕩器提出的主要要求是振蕩頻率、振蕩頻率的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性1、變?nèi)荻O管的壓控特性變?nèi)荻O管是利用PN結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓而變化——壓控電抗元件

變?nèi)荻O管符號(hào)和特性曲線 5．6壓控振蕩器(VCO)

5．6．1 變?nèi)荻O管VCO變?nèi)荻O管的結(jié)電容與控制電壓的關(guān)系為n：變?nèi)葜笖?shù)，其值隨半導(dǎo)體摻雜濃度和PN結(jié)的結(jié)構(gòu)、工藝不同而不同；Co：外加反向電壓uC=0時(shí)的結(jié)電容值。UD

：PN結(jié)的內(nèi)建電位差，硅：UD=0.7V，鍺：UD=0.3V左右

uC：變?nèi)荻O管所加反向偏壓的絕對(duì)值。 5．6壓控振蕩器(VCO)

5．6．1 變?nèi)荻O管VCO1、變?nèi)荻O管的壓控特性變?nèi)荻O管必須處于反偏工作狀態(tài) 5．6壓控振蕩器(VCO)

5．6．1 變?nèi)荻O管VCO2、變?nèi)荻O管為了提高VCO的輸出頻率穩(wěn)定度，可采用由變?nèi)荻O管作為壓控元件的晶體壓控振蕩器VCXO。VCXO振蕩交流通路VCXO實(shí)用電路 5．6壓控振蕩器(VCO)

5．6．2 晶體壓控振蕩器VCXOVCXO的缺點(diǎn)是頻率調(diào)變范圍很窄，這是由于晶體電抗特性中的等效感性區(qū)很窄的原因。晶體的等效感性區(qū)頻率范圍(fp-fs)為fs的Cq/2C倍。因?yàn)镃q<<Co，所以(fp-fs)就很窄。。 5．6壓控振蕩器(VCO)

5．6．2 晶體壓控振蕩器VCXO例如：5MHzIA0晶體，Cq=0.013pF，Co=5pF，

20MHz的B04晶體，Cq=0.0001pF，Co=5pF，

5MHz的IA0晶體感性區(qū)要比20MHz的B04晶體感性區(qū)寬得多。因此，在設(shè)計(jì)VCXO時(shí)，可以選用感性區(qū)相對(duì)較寬的晶體，或在晶體制作工藝中設(shè)法加寬晶體的感性區(qū)范圍。 5．6壓控振蕩器(VCO)

5．6．2 晶體壓控振蕩器VCXO

VCO的主要性能指標(biāo):壓控靈敏度Ko、相位噪聲、頻率調(diào)控范圍等。

壓控靈敏度定義為單位控制電壓引起VCO振蕩頻率的調(diào)控增量，用Ko表示，單位Hz/V。 5．6壓控振蕩器(VCO)

5．6．3VCO的主要技術(shù)指標(biāo)

5．6壓控振蕩器(VCO)

5．6．3VCO的主要技術(shù)指標(biāo)圖中顯示這一壓控特性為一條非線性曲線，在VCO中心頻率fo處的一定范圍內(nèi)線性較好，而在頻率的高端和低端線性很差

相位噪聲低，是VCO的很重要的質(zhì)量指標(biāo)，因?yàn)樗鼘⒅苯佑绊懲ㄐ艡C(jī)本振輸出的相位噪聲。對(duì)fC=100MHz的VCXO，在Δf=10KHz處，相對(duì)噪聲功率可達(dá)到-130dBC/Hz。 5．6壓控振蕩器(VCO)

5．6．3VCO的主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)VCO時(shí)，必須選用低噪聲放大器和高Q的LC回路。由于VCXO中的晶體等效為高Q電感。因此VCXO必然是低噪聲VCO。

1、積分——施密特型集成壓控多諧振蕩器積分——施密特壓控多諧振蕩器原理 5．7集成振蕩器

5．7．1集成壓控多諧振蕩器施密特觸發(fā)器受輸入觸發(fā)電平UH、UL的控制,輸出占空比為50%的方波uo,uo又將控制開(kāi)關(guān)管T的導(dǎo)通與截止。施密特觸發(fā)器的傳輸跳變翻轉(zhuǎn)特性積分電容Ct以恒流Io充電,uA為對(duì)稱的三角波電壓,uo為占空比50%的方波電壓。三角波和方波的重復(fù)頻率取決于uA上升和下降的速度?？刂齐妷簎C可調(diào)節(jié)恒流Io,構(gòu)成了壓控多諧振蕩器。根據(jù)電容Ct上電流與電壓關(guān)系,并考慮到以恒流Io充放電,有:

振蕩頻率: 5．7集成振蕩器

5．7．1集成壓控多諧振蕩器若可控恒流源Io與控制電壓uC的關(guān)系為Io=gmuC，得壓控多諧振蕩器的壓控靈敏度Ko為:gm為可控恒流源的跨導(dǎo)集成壓控多諧振蕩器設(shè)計(jì)好后，gm和(UH-UL)為定值。Ct確定后，Ko也就是為定值。f=KouC是一線性壓控特性。積分－施密特型集成壓控多諧振蕩器具有良好的線性壓控特性 5．7集成振蕩器

5．7．1集成壓控多諧振蕩器 5．7集成振蕩器

5．7．1集成壓控多諧振蕩器頻率穩(wěn)定度高,頻率調(diào)節(jié)范圍寬。在0.01Hz~1MHz間同時(shí)輸出三角波和方波,占空比可以在0.1%~99.9%之間調(diào)節(jié)。當(dāng)外加控制電壓時(shí),線性掃頻范圍大約為1000:1。應(yīng)用于鎖相環(huán),具有FM、FSK等調(diào)制功能。2、射極耦合型集成壓控多諧振蕩器射極耦合壓控多諧振蕩器原理圖5．7集成振蕩器

5．7．1集成壓控多諧振蕩器振蕩頻率:具有良好的線性壓控特性設(shè)充放恒流Io與控制電壓uC的關(guān)系為Io=gmuCKo為壓控靈敏度： 5．7集成振蕩器

5．7．1集成壓控多諧振蕩器振蕩頻率:Io——充電電流Ct——外接定時(shí)電容容量UD(on)——二極管D1、D2的導(dǎo)通壓降。

集成電路LC振蕩器由正反饋放大器和LC諧振回路兩部分組成，常用的電路結(jié)構(gòu)為差分對(duì)管LC振蕩電路。差分對(duì)管LC振蕩電路 5．7集成振蕩器

5．7．2集成電路LC振蕩器振蕩輸出頻率和幅度將很穩(wěn)定MC1648內(nèi)電路和外型 5．7集成振蕩器

5．7．2集成電路LC振蕩器圖5．7．6 MC1648內(nèi)電路和外型 5．7集成振蕩器

5．7．2集成電路LC振蕩器圖5．7．8MOS集成VCO圖5．7．9單電感MOS集成振蕩器 5．7集成振蕩器

5．7．3MOSLC集成振蕩器

集成MOSLC振蕩器具有良好的相位噪聲性能和較低的功耗，但存在一些難以克服的缺點(diǎn)。

首先，LC振蕩器的頻率調(diào)變受變?nèi)莨芟拗?，頻率變化范圍較窄，一般為中心頻率的10%~20%。

其次，LC振蕩器的低噪聲性能往往是靠高Q的LC回路獲得的，CMOS工藝在片上集成電感，要想取得較高Q值的電感比較困難，必須增加額外的工藝步驟。再有，片上集成電感會(huì)占用大量的芯片面積，這是集成電路在費(fèi)用成本上所不希望的。因此，近年來(lái)出現(xiàn)了又一種不需LC這類無(wú)源諧振器的環(huán)形振蕩器，即集成環(huán)形VCO。 5．7集成振蕩器

5．7．4集成環(huán)形VCO

環(huán)形VCO由多個(gè)放大器首尾連接組成一個(gè)環(huán)形:集成環(huán)形VCO這種環(huán)形VCO在MOS集成工藝中易于片上集成，無(wú)需額外增加工藝步驟，占用芯片面積小，集成度高，成本低等優(yōu)點(diǎn)。環(huán)形VCO中的每個(gè)增益級(jí)，即放大器可以有多種單元電路實(shí)現(xiàn)。 5．7集成振蕩器

5．7．4集成環(huán)形VCO環(huán)形VCO中的兩種增益級(jí) 5．7集成振蕩器

5．7．4集成環(huán)形VCO傳統(tǒng)CMOS反相器,由它構(gòu)成環(huán)形VCO時(shí)級(jí)數(shù)必須是奇數(shù),振蕩輸出波形一般為方波.

MOS差分放大器輸出差值電流可表示為: 5．7集成振蕩器

5．7．4集成環(huán)形VCOMOS差放由于線性范圍寬,工作時(shí)不會(huì)進(jìn)入深飽和和截止區(qū),較少了電荷存儲(chǔ)時(shí)間,工作頻率可以做高,頻率線性可調(diào)范圍可以做寬。而且構(gòu)成環(huán)形振蕩器后,可得到較好的正弦波輸出。若設(shè)MOS差分放大器從線性區(qū)到飽和區(qū)的時(shí)間為tdf(或稱充電時(shí)間)，而從飽和回到線性的時(shí)間為tdr(或稱放電時(shí)間)，則每個(gè)MOS差放的充放電時(shí)間為：

Cds——MOSFET的溝道等效電容,μn

——N型半導(dǎo)體自由電子的遷移率，COX——MOSFET的柵區(qū)電容，W/l——MOSFET的溝道寬長(zhǎng)比

5．7集成振蕩器

5．7．4集成環(huán)形VCO當(dāng)有n級(jí)MOS差放構(gòu)成的環(huán)形VCO時(shí)，在完成環(huán)形一周的總延遲時(shí)間為環(huán)形VCO的工作頻率fosc: 5．7集成振蕩器

5．7．4集成環(huán)形VCO壓控靈敏度Ko:圖5．7．12 六級(jí)結(jié)構(gòu)的環(huán)形VCO根據(jù)振蕩器的Barkhausen準(zhǔn)則，在振蕩總相移為2nπ、環(huán)路增益等于1的頻率上，級(jí)數(shù)每減少一級(jí)，各級(jí)所需的相移就需要增加。 5．7集成振蕩器

5．7．4集成環(huán)形VCO下圖為該環(huán)形VCO的輸出波形，圖中輸出I/Q信號(hào)的峰峰值為620mV。圖5．7．13 環(huán)形VCO的輸出I/Q信號(hào)波形5．7集成振蕩器

5．7．4集成環(huán)形VCO在數(shù)字通信系統(tǒng)中，接收通道和發(fā)射通道都需要正交的I/Q本振信號(hào)。對(duì)于具有偶數(shù)級(jí)的環(huán)形VCO，可以很方便地輸出I/Q本振信號(hào)。如六級(jí)MOS差放環(huán)形VCO，第3級(jí)和第6級(jí)的輸出信號(hào)相位差為π/2，即就是I/Q本振輸出。對(duì)于前面所介紹的VCO，由于輸出為單一的正弦信號(hào)，因此必須采用正交網(wǎng)絡(luò)將它轉(zhuǎn)換成I/Q信號(hào)。 5．7集成振蕩器

5．7．5正交I/Q信號(hào)的產(chǎn)生對(duì)RC網(wǎng)絡(luò)，uo1與ui的相位差為-arctan(ωRC)

對(duì)CR網(wǎng)絡(luò)，uo2與ui的相位差為[-arctan(ωRC)]

uo1與uo2的相位差：-arctan(ωRC)]-[-arct