第17章振蕩器

1、2022-3-281振蕩器Oscillators張藝蒙張藝蒙西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院2022-3-282（1）定義：）定義：振蕩器是一種不需外加信號(hào)激勵(lì)而能自動(dòng)將直流能量變換為周期性交變能量的裝置。（2）分類：）分類： 按振蕩波形分類：按振蕩波形分類：振蕩器分為正弦波振蕩器正弦波振蕩器和非正弦波振和非正弦波振蕩器蕩器。輸出波形接近于理想正弦波的稱為正弦波振蕩器，波形為方波、矩形波或其它波形的稱為非正弦波振蕩器。 按工作機(jī)理分類：按工作機(jī)理分類：根據(jù)產(chǎn)生振蕩的機(jī)理，正弦振蕩器還可分為反饋振蕩器反饋振蕩器和負(fù)阻振蕩器和負(fù)阻振蕩器。 按選頻網(wǎng)絡(luò)分類：按選頻網(wǎng)絡(luò)分類：分為RC振蕩器振蕩器、LC振蕩器

2、振蕩器、晶體振蕩晶體振蕩器器以及壓控振蕩器（以及壓控振蕩器（VCO）、壓控晶體振蕩器（）、壓控晶體振蕩器（VCXO）等等。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，相繼又出現(xiàn)了集成振蕩器、開相繼又出現(xiàn)了集成振蕩器、開關(guān)電容振蕩器關(guān)電容振蕩器等。一、振蕩器概述一、振蕩器概述2022-3-283（3）應(yīng)用：）應(yīng)用： 無線電發(fā)射機(jī)用它產(chǎn)生載荷信息的載波信號(hào)載波信號(hào)。 超外差接收機(jī)用它產(chǎn)生本地振蕩信號(hào)本地振蕩信號(hào)。 各種電子測量設(shè)備和計(jì)時(shí)儀表用它產(chǎn)生頻率（或時(shí)間）基準(zhǔn)信號(hào)基準(zhǔn)信號(hào) 工業(yè)生產(chǎn)部門廣泛應(yīng)用的高頻電加熱設(shè)備高頻電加熱設(shè)備等。（4）基本構(gòu)成：）基本構(gòu)成： 一個(gè)由儲(chǔ)能元件構(gòu)成的決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)。 一個(gè)在

3、規(guī)定頻段內(nèi)具有能量變換（或放大）作用的換能作用的換能機(jī)構(gòu)。（有源器件機(jī)構(gòu)。（有源器件-放大器）放大器） 一個(gè)有助于補(bǔ)充元器件能量損耗和保證振蕩器工作穩(wěn)定的反饋電路。反饋電路。 一個(gè)對(duì)振蕩強(qiáng)度具有自動(dòng)調(diào)整作用的非線性元件非線性元件。事實(shí)上，在晶體管正弦振蕩器中，晶體管既起著能量變換能量變換的作用的作用，又起著調(diào)整和控制振蕩強(qiáng)度的非線性作用非線性作用。振蕩器概述振蕩器概述2022-3-284振蕩條件振蕩條件相位判據(jù)相位判據(jù) ：T() = 3602022-3-285振蕩器的穩(wěn)定條件u實(shí)用振蕩器：振蕩頻率（振蕩周期）和振蕩幅度必須穩(wěn)定，實(shí)用振蕩器：振蕩頻率（振蕩周期）和振蕩幅度必須穩(wěn)定，振蕩器在穩(wěn)定工

4、作時(shí)（達(dá)到平衡狀態(tài)），需要滿足振幅穩(wěn)定性振蕩器在穩(wěn)定工作時(shí)（達(dá)到平衡狀態(tài)），需要滿足振幅穩(wěn)定性條件和相位穩(wěn)定性條件條件和相位穩(wěn)定性條件u在振蕩器的起振階段，環(huán)路增益在振蕩器的起振階段，環(huán)路增益|T()|要大于要大于1（振蕩器的起振（振蕩器的起振條），保證振蕩器能將微小的噪聲放大為穩(wěn)定的周期性輸出信號(hào)條），保證振蕩器能將微小的噪聲放大為穩(wěn)定的周期性輸出信號(hào) 考慮到溫度和工藝的變化，在振蕩頻率處的環(huán)路增益設(shè)計(jì)為必須值的考慮到溫度和工藝的變化，在振蕩頻率處的環(huán)路增益設(shè)計(jì)為必須值的23倍倍 當(dāng)環(huán)路中的信號(hào)振幅增加到一定程度后，振蕩器中有源器件存在的非線性當(dāng)環(huán)路中的信號(hào)振幅增加到一定程度后，振蕩器中有源

5、器件存在的非線性會(huì)限制振幅的繼續(xù)增加，使得振蕩器的輸出達(dá)到穩(wěn)定，這是一個(gè)非線性過程會(huì)限制振幅的繼續(xù)增加，使得振蕩器的輸出達(dá)到穩(wěn)定，這是一個(gè)非線性過程u要使?jié)M足要使?jié)M足Barkhausen判據(jù)的反饋系統(tǒng)成為一個(gè)實(shí)用的振蕩器，判據(jù)的反饋系統(tǒng)成為一個(gè)實(shí)用的振蕩器，反饋系統(tǒng)必須包含有某種頻率選擇功能，使得該振蕩器僅在我們反饋系統(tǒng)必須包含有某種頻率選擇功能，使得該振蕩器僅在我們所需要的頻率處振蕩所需要的頻率處振蕩LC諧振電路：反饋網(wǎng)絡(luò)采用諧振電路：反饋網(wǎng)絡(luò)采用LC諧振電路諧振電路 環(huán)型振蕩器：使得反饋系統(tǒng)的環(huán)路傳輸函數(shù)僅在一個(gè)頻率點(diǎn)上滿足環(huán)型振蕩器：使得反饋系統(tǒng)的環(huán)路傳輸函數(shù)僅在一個(gè)頻率點(diǎn)上滿足Bark

6、hausen判據(jù)判據(jù)2022-3-286振幅穩(wěn)定性條件 振幅穩(wěn)定性條件的關(guān)鍵是在平衡點(diǎn)附件，環(huán)路增振幅穩(wěn)定性條件的關(guān)鍵是在平衡點(diǎn)附件，環(huán)路增益幅度隨振幅的變化特性具有負(fù)的斜率益幅度隨振幅的變化特性具有負(fù)的斜率 有源器件的非線性具有穩(wěn)定振蕩幅度的作用有源器件的非線性具有穩(wěn)定振蕩幅度的作用振幅平衡條件受到破壞時(shí)，振幅平衡條件受到破壞時(shí)，振蕩器本身能重新建立起振幅振蕩器本身能重新建立起振幅平衡點(diǎn)的條件，若能建立，則平衡點(diǎn)的條件，若能建立，則振蕩器仍能保持穩(wěn)定的振蕩振蕩器仍能保持穩(wěn)定的振蕩2022-3-287軟自激與硬自激l 軟自激：軟自激：不需要外加激不需要外加激勵(lì)，依靠振蕩器內(nèi)部電勵(lì)，依靠振蕩器內(nèi)

7、部電路的噪聲便可自激（路的噪聲便可自激（ 一一個(gè)振幅平衡點(diǎn)）個(gè)振幅平衡點(diǎn)）硬自激：硬自激：需要外加一個(gè)沖擊信號(hào)需要外加一個(gè)沖擊信號(hào)才能起振的現(xiàn)象（兩個(gè)振幅平衡才能起振的現(xiàn)象（兩個(gè)振幅平衡點(diǎn)，其一個(gè)為不穩(wěn)定平衡點(diǎn)）點(diǎn)，其一個(gè)為不穩(wěn)定平衡點(diǎn)）自動(dòng)幅度控制技術(shù)自動(dòng)幅度控制技術(shù)2022-3-288相位穩(wěn)定性條件2022-3-289二、負(fù)阻振蕩器 LC Resonance2022-3-2810LC Resonance理想振蕩器的輸出是標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)，電流信號(hào)滯理想振蕩器的輸出是標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)，電流信號(hào)滯后電壓相位后電壓相位902022-3-2811LC Oscillators2022-3-2812Pra

8、ctical Design Issues2022-3-2813Practical Design Issues2022-3-2814Practical Design Issues2022-3-2815Practical Design Issues2022-3-2816Negative Resistor Design2022-3-2817負(fù)阻的概念負(fù)阻的概念 正電阻與負(fù)電阻都必須是對(duì)交流來說。負(fù)電阻在直流特性正電阻與負(fù)電阻都必須是對(duì)交流來說。負(fù)電阻在直流特性V/I永遠(yuǎn)為永遠(yuǎn)為正值，所以負(fù)電阻是將直流能量轉(zhuǎn)化為交流能量。正值，所以負(fù)電阻是將直流能量轉(zhuǎn)化為交流能量。 正反饋可以形成負(fù)阻正反饋可以形成負(fù)

9、阻1GGGMVZiG 2022-3-2818負(fù)阻振蕩器的基本原理 為了產(chǎn)生振蕩，負(fù)阻為了產(chǎn)生振蕩，負(fù)阻Rn的阻值必須小的阻值必須小于等于于等于LRC回路的等效并聯(lián)阻抗回路的等效并聯(lián)阻抗RP 當(dāng)它們阻值相等時(shí)，電路產(chǎn)生等幅的當(dāng)它們阻值相等時(shí)，電路產(chǎn)生等幅的振蕩信號(hào)，能量在電感和電容之間互振蕩信號(hào)，能量在電感和電容之間互相轉(zhuǎn)換，而回路損耗所消耗的能量由相轉(zhuǎn)換，而回路損耗所消耗的能量由負(fù)阻提供。負(fù)阻提供。 當(dāng)當(dāng)Rn的阻值小于的阻值小于RP時(shí)，負(fù)阻提供的能時(shí)，負(fù)阻提供的能量大于量大于LRC回路消耗的能量，振蕩信回路消耗的能量，振蕩信號(hào)幅度逐漸增加號(hào)幅度逐漸增加 當(dāng)負(fù)阻由有源器件（電路）來實(shí)現(xiàn)時(shí)，當(dāng)負(fù)阻

10、由有源器件（電路）來實(shí)現(xiàn)時(shí)，有源器件（電路）本身固有的非線性有源器件（電路）本身固有的非線性會(huì)限制振蕩信號(hào)幅度不能無限制增長，會(huì)限制振蕩信號(hào)幅度不能無限制增長，最終振蕩信號(hào)會(huì)穩(wěn)定在某一個(gè)固定的最終振蕩信號(hào)會(huì)穩(wěn)定在某一個(gè)固定的振蕩幅度上振蕩幅度上2022-3-2819LC振蕩電路的實(shí)現(xiàn)振蕩電路的實(shí)現(xiàn)振蕩頻率振蕩頻率振蕩條件振蕩條件類型：負(fù)阻型類型：負(fù)阻型LC振蕩器、反饋型振蕩器、反饋型LC振蕩器振蕩器12fLC1MPGR2022-3-2820Real LC Oscillators2022-3-2821常用的負(fù)阻振蕩器電路2022-3-2822三、反饋型三、反饋型LC振蕩器振蕩器 振蕩原理：有源器

11、件提供振蕩要求的正反饋，而諧振電振蕩原理：有源器件提供振蕩要求的正反饋，而諧振電路提供頻率選擇功能。路提供頻率選擇功能。 典型電路結(jié)構(gòu)：典型電路結(jié)構(gòu)：2022-3-2823p有源器件提供振蕩要求的正反饋，而諧振電路提供頻率選擇功能，有源器件提供振蕩要求的正反饋，而諧振電路提供頻率選擇功能，它們之間的不同僅在于諧振電路的構(gòu)成方式上它們之間的不同僅在于諧振電路的構(gòu)成方式上p反饋型反饋型LC振蕩器中僅有一個(gè)有源器件，因此它們可以產(chǎn)生很高的振蕩器中僅有一個(gè)有源器件，因此它們可以產(chǎn)生很高的振蕩頻率，并具有優(yōu)良的噪聲性能振蕩頻率，并具有優(yōu)良的噪聲性能p起振對(duì)有源器件的的跨要求要高很很，跨導(dǎo)功耗很大起振對(duì)有

12、源器件的的跨要求要高很很，跨導(dǎo)功耗很大p晶體管管可以采采取源結(jié)構(gòu)或或取共結(jié)構(gòu)，這時(shí)反饋信號(hào)號(hào)晶體晶體管管可以采采取源結(jié)構(gòu)或或取共結(jié)構(gòu)，這時(shí)反饋信號(hào)號(hào)晶體管共端反饋到晶體管柵極或或號(hào)晶體管源極反饋到晶體管柵極管共端反饋到晶體管柵極或或號(hào)晶體管源極反饋到晶體管柵極2022-3-2824Colpitts振蕩器振蕩器 圖中阻抗圖中阻抗Rp代表諧振電路的損耗，電流源給晶體管提供偏置電流，代表諧振電路的損耗，電流源給晶體管提供偏置電流，由于采用由于采用LC諧振電路來選擇振蕩頻率，因此理想輸出是一個(gè)正弦波。諧振電路來選擇振蕩頻率，因此理想輸出是一個(gè)正弦波。輸出經(jīng)過輸出經(jīng)過C1分壓得到分壓得到V1反饋到晶體管

13、源極形成正反饋。反饋到晶體管源極形成正反饋。 分析方法，求出閉環(huán)傳遞函數(shù)分析方法，求出閉環(huán)傳遞函數(shù)Vout / Iin，使分母為零。，使分母為零。2022-3-2825Colpitts振蕩器振蕩器流過流過C1的電流為的電流為因此因此流過流過C2的電流為的電流為在輸出端應(yīng)用在輸出端應(yīng)用KCL定律定律整理得到閉環(huán)傳輸函數(shù)整理得到閉環(huán)傳輸函數(shù)2022-3-2826Colpitts振蕩器振蕩器令分母為0，得到一般情況下，解得振蕩頻率為解得振蕩頻率為晶體管大信號(hào)的跨為通過這個(gè)公式可以得到當(dāng)C1/C2=1時(shí)， 達(dá)到最小值該該式是振蕩器維持式是振蕩器維持穩(wěn)定振蕩所應(yīng)滿穩(wěn)定振蕩所應(yīng)滿足的條件，決定足的條件，決

14、定了晶體管的大信了晶體管的大信號(hào)的跨值號(hào)的跨值晶體管的小信號(hào)晶體管的小信號(hào)的跨的跨gm通常被設(shè)通常被設(shè)計(jì)為上式確定值計(jì)為上式確定值的的5倍左右倍左右在確定了晶體管在確定了晶體管的小信號(hào)的跨后，的小信號(hào)的跨后，由偏置電流和由偏置電流和MOS管的管的I-V方程方程就可以確定晶體就可以確定晶體管的尺寸和過驅(qū)管的尺寸和過驅(qū)動(dòng)電壓動(dòng)電壓2022-3-28272022-3-2828Colpitts振蕩器的設(shè)計(jì)步驟振蕩器的設(shè)計(jì)步驟1. 根據(jù)振蕩頻率根據(jù)振蕩頻率 要求，求得要求，求得C1,C2,Lp的參數(shù)值，這里最好選采的參數(shù)值，這里最好選采C1=C2,因?yàn)檫@時(shí)晶體管的的跨要求最小，管就是最低的功耗。因?yàn)檫@時(shí)

15、晶體管的的跨要求最小，管就是最低的功耗。2. 由無源器件的值，估算出阻抗由無源器件的值，估算出阻抗Rp，求出晶體管的大信號(hào)的跨，求出晶體管的大信號(hào)的跨Gm，考，考慮到設(shè)計(jì)余量問題，選采晶體管的小信號(hào)的跨慮到設(shè)計(jì)余量問題，選采晶體管的小信號(hào)的跨 =5Gm，然后根據(jù)偏，然后根據(jù)偏置電流確定晶體管的尺寸和過驅(qū)動(dòng)電壓。置電流確定晶體管的尺寸和過驅(qū)動(dòng)電壓。 當(dāng)晶體管源極輸入一個(gè)大信號(hào)正弦波當(dāng)晶體管源極輸入一個(gè)大信號(hào)正弦波3. 將晶體管大信號(hào)的跨帶入前式，得到將晶體管大信號(hào)的跨帶入前式，得到 由于由于 因此因此Colpitts振蕩器的振蕩幅度為振蕩器的振蕩幅度為2022-3-2829四、晶體振蕩器四、晶體

16、振蕩器 晶體是一種壓電材料，可以在力學(xué)應(yīng)變和電荷之間進(jìn)行交易轉(zhuǎn)換。這晶體是一種壓電材料，可以在力學(xué)應(yīng)變和電荷之間進(jìn)行交易轉(zhuǎn)換。這種能量交換在一特殊的頻率上效率最高，該頻率稱為諧振頻率種能量交換在一特殊的頻率上效率最高，該頻率稱為諧振頻率fs。 2022-3-2830晶體振蕩器晶體振蕩器號(hào)晶體的等效電路圖中可以看到，晶體同時(shí)具有串聯(lián)與并聯(lián)諧振電路。號(hào)晶體的等效電路圖中可以看到，晶體同時(shí)具有串聯(lián)與并聯(lián)諧振電路。串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振電路的阻抗及相位示意圖如下串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振電路的阻抗及相位示意圖如下2022-3-2831晶體振蕩器晶體振蕩器寫出晶體的阻抗表達(dá)式1sssL C1(1)sPpssCCL

17、C2022-3-2832晶體振蕩器晶體振蕩器可以看出晶體在兩個(gè)諧振頻率中間表現(xiàn)為電感，用這個(gè)電感和一個(gè)具有容性的放大器（正反饋）組成振蕩器。2022-3-2833五、壓控振蕩器五、壓控振蕩器 許很應(yīng)用要求振蕩器是可調(diào)諧的，即它們的振蕩頻許很應(yīng)用要求振蕩器是可調(diào)諧的，即它們的振蕩頻率是一個(gè)控制率是一個(gè)控制 輸入信號(hào)的函數(shù)。輸入信號(hào)的函數(shù)。 對(duì)于對(duì)于LC振蕩器來說，諧振頻率振蕩器來說，諧振頻率 頻率調(diào)諧方法，改變頻率調(diào)諧方法，改變L或或或或C。集成電路中一般改變。集成電路中一般改變C的值。的值。 使用容抗管：反向使用容抗管：反向pn結(jié)、反型區(qū)結(jié)、反型區(qū)MOS管和積累區(qū)管和積累區(qū)MOS管。管。202

18、2-3-2834壓控振蕩器壓控振蕩器Pn結(jié)電容：特點(diǎn)：調(diào)諧范圍較小，但具有較高的品質(zhì)因子，線性度較高。特點(diǎn)：調(diào)諧范圍較小，但具有較高的品質(zhì)因子，線性度較高。2022-3-2835壓控振蕩器壓控振蕩器反型區(qū)反型區(qū)MOS：品質(zhì)因子較小，：品質(zhì)因子較小， 電容可變范圍較小。電容可變范圍較小。耗盡耗盡-積累區(qū)積累區(qū)MOS容抗管：容抗管：電容可變范圍較大電容可變范圍較大相對(duì)與反向相對(duì)與反向pn結(jié)，品質(zhì)因子較小，結(jié)，品質(zhì)因子較小，線性度管較差線性度管較差。2022-3-28362022-3-2837MOS容抗管作調(diào)諧元件的LC電壓控制振蕩器2022-3-2838六、環(huán)路振蕩器六、環(huán)路振蕩器 環(huán)形振蕩器可以采用純數(shù)字環(huán)形振蕩器可以采用純數(shù)字CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，不需要電感，廣泛使用在單工藝實(shí)現(xiàn)，不需要電感，廣泛使用在單片集成電路中。片集成電路中。 振蕩條件：奇數(shù)個(gè)反向器構(gòu)成。振蕩條件：奇數(shù)個(gè)反向器構(gòu)成。 以三級(jí)環(huán)型振蕩器為例：以三級(jí)環(huán)型振蕩器為例： 每一級(jí)的傳輸函數(shù)為每一級(jí)的傳輸