電子科技大學(xué)通信射頻電路射頻振蕩器3335

射頻振蕩器是射頻/微波/毫米波電子系統(tǒng)中一個(gè)必不可少的器件，提供原始信號(hào)。一個(gè)電子系統(tǒng)中往往需要多個(gè)射頻振蕩器。提供通信/雷達(dá)等電子系統(tǒng)的載波或變頻本振;提供系統(tǒng)時(shí)鐘;系統(tǒng)同步。

射頻振蕩器功能振蕩?兩個(gè)狀態(tài)或兩個(gè)條件之間的周期變動(dòng)。

振蕩器使用的器件二端器件(Gunn,IMPATT,etc.)三端器件(BJT,HBT,MESFET,etc.)目前一頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)

振蕩器分類(lèi)按工作原理和分析方法可分為兩大類(lèi)反饋型振蕩器負(fù)阻型振蕩器5.8GHz注鎖振蕩器電路，結(jié)構(gòu)，測(cè)試性能目前二頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)&10.2振蕩器原理及電路

振蕩器原理反饋原理負(fù)電阻原理振蕩器的反饋模型

+-i+-Rvs振蕩器的負(fù)電阻模型

反饋振蕩器負(fù)阻振蕩器

振蕩器分類(lèi)目前三頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)&7.1反饋型振蕩器

反饋型振蕩器結(jié)構(gòu)1.放大電路;2.反饋網(wǎng)絡(luò);3.選頻回路;4.電源.合成+選頻放大器反饋網(wǎng)絡(luò)Vi+-V2V3βV4Ad目前四頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)若對(duì)某個(gè)頻率:βAd=-1,

Al：閉環(huán)電路增益T：開(kāi)環(huán)電路增益電路將自激振蕩，不需要外部輸入信號(hào)。→∞

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(hào)的凈相移必須是360°的正整數(shù)倍（正反饋）。Barkhause準(zhǔn)則-振蕩條件T(jω)=-1→Al(jω)=∞起振條件目前五頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)

由于振蕩器是正反饋，因此起振之初，輸出信號(hào)勢(shì)必越來(lái)越大，信號(hào)最終穩(wěn)定必須滿(mǎn)足幅度和相位的穩(wěn)定條件。

振蕩穩(wěn)定條件

振幅穩(wěn)定條件穩(wěn)定時(shí)|T(jω)|=1,且為了確保vo幅值不變還應(yīng)有1穩(wěn)定點(diǎn)vi|T(jω)|起振條件:|T(jω)|>1開(kāi)環(huán)增益越大越易起振!目前六頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)相位穩(wěn)定條件

幅度和相位穩(wěn)定條件確立了幅度和相位在低于穩(wěn)定點(diǎn)為正反饋，超過(guò)穩(wěn)定點(diǎn)為負(fù)反饋。

反饋型振蕩器設(shè)計(jì)要點(diǎn)1.合適的放大器(可變?cè)鲆?2.正反饋支路3.選頻網(wǎng)絡(luò)4.負(fù)斜率相頻特性.目前七頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)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)正電阻特性。&7.2負(fù)電阻振蕩器

對(duì)于信號(hào)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(fù)功率。等效為一負(fù)電阻!

除了信號(hào)源之外，某些器件的I-V特性也等效為一個(gè)負(fù)電阻,即器件的伏安特性出現(xiàn)負(fù)斜率段。目前八頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)iv負(fù)阻段電壓型iv負(fù)阻段電流型

常見(jiàn)的呈現(xiàn)負(fù)阻特性的器件有隧道二極管和雙基極二極管。Q1CLQ2ReVccCL-Rs目前九頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)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（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(fù)電阻振蕩器分析方法目前十頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)

振蕩條件

目前十一頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)有源電路單元(ZS)的負(fù)電阻和電抗必須與ZL的電阻和電抗在幅值上相等，符號(hào)相反。

為了起振，負(fù)電阻的幅值應(yīng)大于小信號(hào)條件下得到的幅值。由于振蕩電路中有更多的負(fù)電阻，振蕩將持續(xù)增長(zhǎng)，振蕩振幅持續(xù)增大，然有源器件的非線性將導(dǎo)致負(fù)電阻的量值減小，直到達(dá)到穩(wěn)態(tài)的量值。負(fù)電阻振蕩器的振蕩條件1.建立適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，使器件工作在負(fù)阻特性區(qū)間,滿(mǎn)足2.滿(mǎn)足振蕩穩(wěn)定條件（類(lèi)似Barkhouse準(zhǔn)則）目前十二頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)負(fù)電阻振蕩器特點(diǎn)工作頻率較高，可達(dá)100GHz以上;電路形式簡(jiǎn)單;設(shè)計(jì)難度較高.

常見(jiàn)負(fù)阻振蕩器微帶振蕩器，介質(zhì)腔體振蕩器，YIG振蕩器，耿氏二極管振蕩器等產(chǎn)生負(fù)電阻的基本電路拓?fù)?/p>

目前十三頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)&7.3振蕩器主要性能指標(biāo)1.工作頻率ωo

2.輸出電平（功率）3.頻率準(zhǔn)確度常用相對(duì)頻偏來(lái)衡量1PPm(e-6)4.頻率穩(wěn)定度指在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，輸出頻率偏離標(biāo)稱(chēng)值的大小，分長(zhǎng)期、短期和瞬間穩(wěn)定度三種。目前十四頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)時(shí)域：主要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(hào)接近理想的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的程度，一般用雜散分量(包括諧波)和相位噪聲來(lái)衡量。6.效率與功耗

DC-RF的轉(zhuǎn)換效率整個(gè)系統(tǒng)消耗的功率7.體積與成本目前十五頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)&7.4振蕩器基本電路文氏電橋振蕩器利用超前/滯后網(wǎng)絡(luò)作反饋支路的振蕩器。+-R2C2R1C1RiRf=2RiA超前滯后網(wǎng)絡(luò)Vout目前十六頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)反饋網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移特性曲線f01/3F(jω)f平衡時(shí)對(duì)v1同相放大，對(duì)v2反相放大同相增益反相增益Rf、Ri提供負(fù)反饋,超前/滯后網(wǎng)絡(luò)提供正反饋目前十七頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)開(kāi)環(huán)增益

常用在5K-1MHz工作頻率范圍,作低頻信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)穩(wěn)定度差！

互感LC振蕩器ReRb1C等效振蕩回路Rb2C∞C∞C∞Vcc目前十八頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)

利用互感提供反饋，應(yīng)注意互感的同名端。共發(fā)電路為反相放大，則反饋應(yīng)倒相才能構(gòu)成正反饋。共基電路為同相放大，則反饋應(yīng)同相才能構(gòu)成正反饋。

多用于收音機(jī)本振，工作頻率也不高，信號(hào)頻率穩(wěn)定度也較差。

實(shí)際制作調(diào)諧放大器時(shí)，應(yīng)特別小心，避免信號(hào)因電路排版或空間輻射引起回授，從而導(dǎo)致寄生振蕩產(chǎn)生。三端振蕩器

在三端晶體管的三個(gè)外接點(diǎn)（輸入、輸出、地）之間分別接以不同電抗元件構(gòu)成的振蕩器.目前十九頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)AX3X2X1

理論分析表明要滿(mǎn)足相位穩(wěn)定條件，X1與X2、X3必須異性（感、容）。振蕩頻率由X1與X2、X3構(gòu)成的回路諧振頻率決定。特點(diǎn)：工作頻率高，穩(wěn)定度更好。三端振蕩器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)目前二十頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)Hartley振蕩器（電感三端振蕩器）L1L2C1Hartley振蕩器拓?fù)浼半娐稬1L2C1C3R2R1L∞C2Vcc

Hartley振蕩器工作特性主要由電感抽頭（L1L2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(zhì)因數(shù)下降，影響頻率穩(wěn)定度。目前二十一頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)

振蕩器的頻率調(diào)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(fù)載，因此振蕩頻率易受負(fù)載的影響。Copitts振蕩器（電容三端振蕩器）LC1C2LC1C3R2R1L∞C2VccCopitts振蕩器拓?fù)浼半娐纺壳岸?yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)

Copitts振蕩器反饋系數(shù)取決于C1、C2的比值。當(dāng)振蕩頻率較高時(shí)，改變頻率要改變C1、C2，從而會(huì)影響反饋比。Clapp振蕩器（改進(jìn)型Copitts振蕩器）Clapp振蕩器拓?fù)銵C1C2C3X1目前二十三頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)

Clapp振蕩器中C3遠(yuǎn)小于C1、C2，從而振蕩頻率主要取決于C3、L。而C1、C2決定反饋系數(shù)，可以取值較大，電路振蕩頻率不易受后級(jí)影響，振蕩頻率調(diào)整方便，因此為實(shí)際電路較多采用。電壓控制振蕩器（VCO）VCO電路目前二十四頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)

VCO是現(xiàn)代頻率合成器中的一個(gè)重要的基本組成部件,原理是振蕩回路中電抗元件（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目前二十五頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)壓控振蕩器主要技術(shù)指標(biāo)（1）盡可能低的相位噪聲←質(zhì)量指標(biāo)（2）頻率的相對(duì)覆蓋應(yīng)滿(mǎn)足要求(針對(duì)控制電壓范圍)晶體壓控振蕩器VCXOLCVCO（3）壓控頻率特性曲線的非線性盡可能小。太大可能導(dǎo)致環(huán)路參數(shù)急劇變化，從而引起不穩(wěn)定。目前二十六頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)非線性系數(shù)Kn定義斜率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(yīng)盡可能平穩(wěn)（有助于諧波抑制）。目前二十七頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)&7.5振蕩器的相位噪聲

振蕩器輸出功率譜目前二十八頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)

振蕩器相位噪聲根源熱噪聲和閃爍噪聲

閃爍噪聲是基帶(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(kāi)環(huán)時(shí)的噪聲頻譜

目前二十九頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)

低相位噪聲振蕩器設(shè)計(jì)

振蕩器的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)之一就是低相位噪聲。對(duì)三端振蕩器輸出信號(hào)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空載品質(zhì)因數(shù)盡可能高之外，電路設(shè)計(jì)的原則是盡可能的減小放大器對(duì)振蕩回路引入的損耗。設(shè)計(jì)中應(yīng)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)。目前三十頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)低噪聲振蕩器要求盡可能高的有載品質(zhì)因素，高的空載品質(zhì)因素是前提。一般而言，諧振回路中的電容的品質(zhì)因數(shù)都遠(yuǎn)高于電感，故決定品質(zhì)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(zhì)因數(shù)。一般的電感Ql:20-80粗銅線繞制電感Ql:100-400石英晶體Ql:10000-300000目前三十一頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)

有源器件選擇

振蕩器性能很大程度上取決于所選用的有源器件是否適當(dāng)。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(fù)阻或是前向增益很重要!對(duì)不同應(yīng)用及要求，閃爍噪聲，輸出功率等因數(shù)也應(yīng)考慮到。

GaAsFET與硅雙極型晶體管(BJT)

GaAsFET有高振蕩頻率，高增益，高輸出功率和高效率優(yōu)點(diǎn)!

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(shè)計(jì)目前三十二頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)異質(zhì)結(jié)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(jié)構(gòu)消除了FET的表面狀態(tài)問(wèn)題，有更好的相位噪聲特性。HBT跨導(dǎo)高，能在寬頻帶內(nèi)產(chǎn)生負(fù)電阻，主要用于寬帶可調(diào)振蕩器。HBT截止電壓高，電流處理能力強(qiáng)，振蕩器具有高輸出功率。

SiGe雙極型技術(shù)可以超過(guò)普通硅器件,提供與GaAs等同的性能，兼具硅的低價(jià)性和批量生產(chǎn)優(yōu)點(diǎn)。

SiGe雙極型晶體管目前三十三頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)偏置電路設(shè)計(jì)

偏置電路設(shè)計(jì)一般獨(dú)立于射頻電路設(shè)計(jì)。主要關(guān)注功率效率、穩(wěn)定性和易用性。設(shè)計(jì)低相噪振蕩器時(shí)，偏置電路需要仔細(xì)選擇以避免任何不希望的調(diào)制信號(hào)和噪聲注入。

MESFET振蕩器偏置電路

目前三十四頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)振蕩器電路設(shè)計(jì)與仿真

實(shí)際的振蕩器是非線性器件，小信號(hào)仿真能保證振蕩條件和振蕩頻率,但無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)輸出功率。小信號(hào)設(shè)計(jì)與仿真大信號(hào)設(shè)計(jì)與仿真三種主要設(shè)計(jì)方法時(shí)域法;諧波平衡法;Volterra級(jí)數(shù)法。

目前三十五頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)Clapp振蕩器基本參數(shù)選擇例如AX3X2X1LC1C2C3X1目前三十六頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)石英晶體的等效電路LC1RC2L是等效電感(mH量級(jí)),C1為等效電容，R為等效電阻（101量級(jí)）,C2為等效支架電容(5pF).石英晶體有兩個(gè)諧振頻率

串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率目前三十七頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)石英晶體的電抗特性fsf2Xcf

石英晶體振蕩器C1C2C∞XTALout分立Pierce電路（工作在感性區(qū)）目前三十八頁(yè)\總數(shù)四十頁(yè)\編于四點(diǎn)分立Pierce電路特點(diǎn)1.短期穩(wěn)定度好2.輸出功率大