通信電子線路電子教案版本05振蕩器

1、通信電子線路(第三版)顧寶良 編著24 八月 202251 引言52 反饋振蕩器的工作原理53 LC正弦波振蕩器54 振蕩器的頻率穩(wěn)定度55 晶體振蕩器56 壓控振蕩器(VCO)57 集成振蕩器24 八月 2022 51 引言 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和振蕩頻率的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。 本章討論的振蕩器是不需輸入信號(hào)控制就能自動(dòng)地將直流能量轉(zhuǎn)換為特定頻率和振幅的交變能量的電路。 正弦波振蕩器通常是正反饋原理構(gòu)成的反饋振蕩器，是目前常用的一類振蕩器。 另有一類振蕩器稱為負(fù)阻振蕩器，它是將負(fù)阻器件直接接到諧振回路中，利用負(fù)阻器件的負(fù)電阻效應(yīng)抵消回路中的損

2、耗，從而產(chǎn)生出等幅的自由振蕩。這類振蕩器主要工作在微波頻段。24 八月 202251 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。 本章重點(diǎn)介紹正弦波振蕩器，其中包括LC振蕩器、晶體振蕩器、RC振蕩器和壓控振蕩器等。同時(shí)還將介紹集成振蕩器、集成壓控振蕩器以及正交信號(hào)的產(chǎn)生。24 八月 2022 52 反饋振蕩器的工作原理 反饋振蕩器實(shí)際上是由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的一個(gè)閉合環(huán)路。圖521 反饋振蕩器的組成方框及相應(yīng)電路24 八月 2022 對(duì)于圖521(a)所示的閉合環(huán)路，將它在處拆開，定義它的環(huán)路增益為：

3、。 是保證振蕩器輸出等幅持續(xù)振蕩的平衡條件，這就是 巴克好森(Barkausen)準(zhǔn)則當(dāng)或 52 反饋振蕩器的工作原理 521 平衡和起振條件24 八月 2022若令： 振幅平衡條件相位平衡條件 52 反饋振蕩器的工作原理 521 平衡和起振條件24 八月 2022或 振幅起振條件相位起振條件 52 反饋振蕩器的工作原理 521 平衡和起振條件24 八月 2022作為反饋振蕩器，必須滿足起振條件和平衡條件。 圖522 滿足起振和平衡條件時(shí)的環(huán)路增益特性 在振蕩環(huán)路中通常都包含有非線性環(huán)節(jié)。在大多數(shù)振蕩電路中，這個(gè)非線性環(huán)節(jié)是由放大器的非線性特性實(shí)現(xiàn)的。 52 反饋振蕩器的工作原理 521 平衡

4、和起振條件24 八月 2022 要產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦振蕩，振蕩器必須滿足振蕩的起振條件和平衡條件。因此，在由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的閉合環(huán)路中，必須包含可變?cè)鲆娣糯笃骱拖嘁凭W(wǎng)絡(luò)。 可變?cè)鲆娣糯笃鲬?yīng)提供足夠的增益，且其值具有隨輸入電壓增大而減小的變化特性，以保證環(huán)路進(jìn)入平衡狀態(tài)，使振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩幅度； 相移網(wǎng)絡(luò)應(yīng)在振蕩頻率上為環(huán)路提供合適的相移，使環(huán)路相移為零(或)2n。 任何反饋振蕩器都是含有電抗元件的非線性閉環(huán)系統(tǒng)。 52 反饋振蕩器的工作原理522振蕩電路的基本分析方法24 八月 2022 1、電路組成法則圖531 三點(diǎn)式振蕩器的原理電路電容三點(diǎn)式電路，又稱為考畢茲(Colpitts)電路

5、 電感三點(diǎn)式電路，又稱為哈脫萊(Hartley)電路 一般形式 53 LC正弦波振蕩器531三點(diǎn)式LC振蕩電路24 八月 2022圖531示出了兩種基本類型的三點(diǎn)式LC振蕩器原理電路。 與反相。 為了滿足相位平衡條件，53 LC正弦波振蕩器531三點(diǎn)式LC振蕩電路1、電路組成法則24 八月 20222、三點(diǎn)式振蕩器實(shí)用路圖533 電容三點(diǎn)式振蕩器實(shí)用電路53 LC正弦波振蕩器531三點(diǎn)式LC振蕩電路24 八月 20222、三點(diǎn)式振蕩器實(shí)用電路53 LC正弦波振蕩器531三點(diǎn)式LC振蕩電路交流通路24 八月 20222、三點(diǎn)式振蕩器實(shí)用電路53 LC正弦波振蕩器531三點(diǎn)式LC振蕩電路交流通路

6、電路中,作為可變?cè)鲆嫫骷娜龢O管,必須由偏置電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn),以保證它起振時(shí)(即小信號(hào)工作時(shí))工作在放大區(qū),提供足夠的增益,滿足振幅起振條件。 24 八月 2022 振蕩器自起振到達(dá)平衡狀態(tài)時(shí)，UBEO是變化的，并且自靜態(tài)開始向截止方向移動(dòng)。圖535 自給偏置效應(yīng)2、三點(diǎn)式振蕩器實(shí)用電路UBEO隨Ui增大而移動(dòng)的效應(yīng)稱為自給偏置效應(yīng)53 LC正弦波振蕩器531三點(diǎn)式LC振蕩電路24 八月 2022圖536 自給偏置效應(yīng)對(duì)環(huán)路增益的影響平衡時(shí)的振蕩振幅有所減小,但對(duì)于穩(wěn)定振蕩振幅是有利的。 2、三點(diǎn)式振蕩器實(shí)用電路考慮自給偏置效應(yīng)未計(jì)自給偏置效應(yīng)53 LC正弦波振蕩器531三點(diǎn)式LC振蕩

7、電路24 八月 2022圖537 電感三點(diǎn)式振蕩器實(shí)用電路2、三點(diǎn)式振蕩器實(shí)用電路53 LC正弦波振蕩器531三點(diǎn)式LC振蕩電路24 八月 2022圖538電容三點(diǎn)式電路的交流通路53 LC正弦波振蕩器532電容三點(diǎn)式振蕩電路（Coplitts電路）1、電容三點(diǎn)式振蕩電路的起振條件分析電阻Reo是L、C1、C2并聯(lián)諧振回路的固有諧振電阻: Reo=LQ0 混合型簡(jiǎn)化24 八月 202253 LC正弦波振蕩器532電容三點(diǎn)式振蕩電路（Coplitts電路）1、電容三點(diǎn)式振蕩電路的起振條件分析圖539推導(dǎo)電路T(j)的交流等效電路24 八月 2022令式中，振蕩環(huán)路的環(huán)路增益53 LC正弦波振蕩器

8、532 電容三點(diǎn)式振蕩電路（Coplitts電路）24 八月 2022電容三點(diǎn)式電路的相位和振幅起振條件分別為或:振蕩頻率:53 LC正弦波振蕩器532 電容三點(diǎn)式振蕩電路（Coplitts電路）1、電容三點(diǎn)式振蕩電路的起振條件分析 回路的總電容回路的固有諧振角頻率24 八月 2022 上式表明，電容三點(diǎn)式電路的振蕩角頻率不僅與0有關(guān)，還與負(fù)載電阻和管子參數(shù)有關(guān)，且osc0。在實(shí)際電路中，一般滿足工程估算時(shí)，可近似認(rèn)為相位起振條件：53 LC正弦波振蕩器532 電容三點(diǎn)式振蕩電路（Coplitts電路）1、電容三點(diǎn)式振蕩電路的起振條件分析簡(jiǎn)化為 24 八月 2022 可見電容三點(diǎn)式電路的振幅起

9、振條件為： 是電容分壓比，由于，因而n實(shí)際上就是反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)kf。53 LC正弦波振蕩器532 電容三點(diǎn)式振蕩電路（Coplitts電路）1、電容三點(diǎn)式振蕩電路的起振條件分析24 八月 2022放大器的增益 由上式可知，為了滿足振幅起振條件通常要求T(osc)為35倍，除了增大gm以及減小和以外，還應(yīng)選取適中的n值。 放大器輸出端的總負(fù)載電導(dǎo)值 53 LC正弦波振蕩器532 電容三點(diǎn)式振蕩電路（Coplitts電路）1、電容三點(diǎn)式振蕩電路的起振條件分析24 八月 2022 上述電容三點(diǎn)式振蕩電路優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單、能夠振蕩的頻率范圍寬、波形好等。 clapp就提出了改進(jìn)的電容三點(diǎn)式振蕩電路，

10、即克拉潑(clapp)振蕩電路。53 LC正弦波振蕩器532 電容三點(diǎn)式振蕩電路（Coplitts電路）2、克拉潑(clapp)振蕩電路 上述電容三點(diǎn)式振蕩器還存在一些缺點(diǎn),如，振蕩頻率將隨振蕩三極管的結(jié)電容的不穩(wěn)定而受影響，頻率穩(wěn)定性將下降。24 八月 202253 LC正弦波振蕩器532 電容三點(diǎn)式振蕩電路（Coplitts電路）2、克拉潑(clapp)振蕩電路克拉潑振蕩電路的實(shí)用電路克拉潑振蕩電路的交流通路與三點(diǎn)式的區(qū)別所在C3的取值應(yīng)盡量小，而C1、C2的取值應(yīng)盡量大。 24 八月 2022通常它們之間滿足C3C1、C3C2， 振蕩頻率 53 LC正弦波振蕩器532 電容三點(diǎn)式振蕩電路

11、（Coplitts電路）2、克拉潑(clapp)振蕩電路24 八月 2022圖5312 電感三點(diǎn)式振蕩器交流通路53 LC正弦波振蕩器533電感三點(diǎn)式振蕩電路(Hartley電路)24 八月 2022振蕩頻率為:式中L=L1+L2+2M，M為L(zhǎng)1和L2之間的互感。式中分壓比: 53 LC正弦波振蕩器533電感三點(diǎn)式振蕩電路(Hartley電路)圖5312 電感三點(diǎn)式振蕩器交流通路振幅起振條件為:N12為L(zhǎng)2的匝數(shù)，N13為L(zhǎng)1、L2的總匝數(shù)。 24 八月 2022 振蕩器的輸出信號(hào)不可能是絕對(duì)穩(wěn)定的，即輸出信號(hào)的幅度、頻率和相位不可能是一個(gè)恒定不變的值。 角頻率的抖動(dòng)值54振蕩器的頻率穩(wěn)定度

12、Um是振幅的統(tǒng)計(jì)平均值，U(t)是振幅的抖動(dòng)值，0是角頻率的統(tǒng)計(jì)平均值，(t)是相位的抖動(dòng)值。相位的微分就是角頻率，所以有24 八月 2022 頻率準(zhǔn)確度又稱頻率精度，是指振蕩器實(shí)際工作頻率fosc與標(biāo)稱頻率fr之間的偏差。通常有相對(duì)頻率準(zhǔn)確度和絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度之分。絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度 相對(duì)頻率準(zhǔn)確度 振蕩器的頻率穩(wěn)定度是指在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，相對(duì)頻率準(zhǔn)確度變化的最大值。54 振蕩器的頻率穩(wěn)定度541頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度的定義頻率穩(wěn)定度24 八月 2022 工程中常用均方差n來表征頻率穩(wěn)定度 n為測(cè)量次數(shù)，即規(guī)定時(shí)間劃分為n個(gè)間隔，各間隔分別測(cè)得的實(shí)際頻率為fosc1、fosc2foscn。 為第

13、i次(i=1n)測(cè)得的相對(duì)頻率準(zhǔn)確度 為n個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的相對(duì)頻率準(zhǔn)確度的平均值54 振蕩器的頻率穩(wěn)定度541頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度的定義第i次測(cè)試的絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度 絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度的平均值 規(guī)定時(shí)間內(nèi)的頻率穩(wěn)定度.又分為長(zhǎng)期穩(wěn)定度、短期穩(wěn)定度和瞬時(shí)穩(wěn)定度等三種. 24 八月 2022載頻受相位噪聲N(t)調(diào)制的雙邊帶信號(hào)通常 54 振蕩器的頻率穩(wěn)定度 542相位噪聲對(duì)通信的影響不考慮振幅抖動(dòng)，認(rèn)為振幅是穩(wěn)定的相位抖動(dòng),即相位噪聲.可用N(t)表示 載頻24 八月 2022 振蕩器的實(shí)際輸出頻譜為載頻迭加裙?fàn)钤肼曨l譜. 為了計(jì)量相位噪聲,通?？紤]相對(duì)載頻0偏移處的一個(gè)單位帶寬(一般為1Hz帶寬或1K

14、Hz帶寬),計(jì)算這個(gè)帶寬內(nèi)的噪聲功率。圖541振蕩器實(shí)際輸出頻譜 54 振蕩器的頻率穩(wěn)定度 542相位噪聲對(duì)通信的影響24 八月 2022圖542 通用收發(fā)信機(jī)前端 54 振蕩器的頻率穩(wěn)定度 542相位噪聲對(duì)通信的影響 為接收和發(fā)射路徑提供本振信號(hào) LO輸出頻率包含的相位噪聲將對(duì)接收的下變頻和發(fā)射的上變頻輸出信號(hào)同時(shí)產(chǎn)生破壞.24 八月 2022圖543 相位噪聲對(duì)接收和發(fā)送的影響 54 振蕩器的頻率穩(wěn)定度 542相位噪聲對(duì)通信的影響接收機(jī)的下變頻 互調(diào)干擾 發(fā)射系統(tǒng)上變頻 24 八月 2022本振的相位噪聲還會(huì)破壞數(shù)字通信在載頻相位中攜帶的信息。 實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，為了使本振相位噪聲對(duì)通信的影

15、響減小到允許程度，通常在900MHz或1.9GHz頻段，偏離中心頻率f = 60KHz處，每單位帶寬(1Hz)內(nèi)的噪聲功率必須在-120dBC/Hz左右，其中dBC表示相對(duì)載波的dB數(shù)。圖544 相位噪聲對(duì)QPSK信號(hào)星座的影響 54 振蕩器的頻率穩(wěn)定度 542相位噪聲對(duì)通信的影響 圖中4個(gè)星座點(diǎn)附近都出現(xiàn)了由相位噪聲產(chǎn)生的附加點(diǎn)。這將嚴(yán)重地影響正常接收,使誤碼率大大增加。24 八月 2022為了分析頻率穩(wěn)定度，要研究振蕩頻率變化的原因。 振蕩頻率由此確定 54 振蕩器的頻率穩(wěn)定度 543LC振蕩器頻率穩(wěn)定度的定性分析環(huán)路相位平衡條件振蕩環(huán)路的相移圖539推導(dǎo)電路T(j)的交流等效電路相位平衡

16、條件:24 八月 2022 一個(gè)LC并聯(lián)諧振回路，其相頻特性近似由下式表示 54 振蕩器的頻率穩(wěn)定度 543LC振蕩器頻率穩(wěn)定度的定性分析回路的諧振角頻率 計(jì)及RL,Ri在內(nèi)的回路有載品質(zhì)因數(shù) 圖545 wosc的圖示24 八月 2022圖546引起osc不穩(wěn)的原因(a) 0; (b) Qe 54振蕩器的頻率穩(wěn)定度 543LC振蕩器頻率穩(wěn)定度的定性分析24 八月 20221、減小外界因素的變化 影響振蕩頻率的外界因素:溫度、濕度、大氣壓力、電源電壓、周圍磁場(chǎng)、機(jī)械振動(dòng)以及負(fù)載變化等，其中溫度是最重要的。 它們的變化一般是無(wú)法控制的，但可以設(shè)法減小它們對(duì)振蕩器振蕩回路的影響。 54振蕩器的頻率穩(wěn)

17、定度 544提高頻率穩(wěn)定度的基本措施24 八月 20221、減小外界因素的變化 54 振蕩器的頻率穩(wěn)定度 544提高頻率穩(wěn)定度的基本措施減振裝置機(jī)械振動(dòng)減小振蕩器或回路元件置于恒溫槽內(nèi)溫度變化減小密封工藝濕度和大氣壓力的變化減小減小高穩(wěn)定的穩(wěn)壓電源電源電壓的變化屏蔽罩周圍磁場(chǎng)加在振蕩器上的變化減小在振蕩器與不穩(wěn)定負(fù)載之間插入跟隨器負(fù)載對(duì)振蕩器的影響減小24 八月 2022 振蕩回路標(biāo)準(zhǔn)性振蕩回路的元件值在外界因素變化時(shí)保持不變的能力，即諧振頻率保持不變的能力。 54振蕩器的頻率穩(wěn)定度 544提高頻率穩(wěn)定度的基本措施2、提高振蕩回路標(biāo)準(zhǔn)性 上式展開,忽略高階分量,得0近似表示式 為了提高回路標(biāo)準(zhǔn)

18、性，必須減小L和C的相對(duì)變化量。 24 八月 2022 單個(gè)單極晶體片可等效為一個(gè)高Q串聯(lián)諧振回路。由于它的Q值可高達(dá)50000以上，且固有諧振頻率fs的溫度系數(shù)高達(dá)10-6數(shù)量級(jí)以上，所以，可將它設(shè)計(jì)成高性能的晶體濾波器和晶體振蕩器。圖551石英諧振器的等效電路 55 晶體振蕩器 551石英晶體諧振器的電特性 LC振蕩器的頻穩(wěn)度只能達(dá)到10-310-5數(shù)量級(jí)，如果要求頻穩(wěn)度超過10-5數(shù)量級(jí)，就必須采用晶體振蕩器。 晶體振蕩器是用石英晶體諧振器控制和穩(wěn)定振蕩頻率的振蕩器。 Lq、Cq、rq等效為晶體片的慣性、彈性和摩擦系數(shù),Co包括石英諧振器的靜態(tài)電容和支架、引線等分布電容。 24 八月 2

19、022 將石英諧振器作為振蕩器的諧振回路元件,就會(huì)有很高的回路標(biāo)準(zhǔn)性,因而振蕩器有很高的頻率穩(wěn)定度 若忽略rq，則晶體兩端呈現(xiàn)的阻抗為純電抗，其值近似為 55 晶體振蕩器 551石英晶體諧振器的電特性24 八月 2022圖552晶體的阻抗曲線 55 晶體振蕩器 551石英晶體諧振器的電特性24 八月 2022在某些實(shí)際振蕩電路中，晶體兩端并接有負(fù)載電容CL 圖553并聯(lián)CL后晶體的等效電路相應(yīng)的并聯(lián)諧振頻率由fp減小到fN 55 晶體振蕩器 551石英晶體諧振器的電特性24 八月 2022 晶體諧振器的電特性可以等效為L(zhǎng)C串、并聯(lián)回路，但與一般的LC諧振回路比較有明顯的幾個(gè)特點(diǎn)：(1) 晶體諧

20、振器的諧振頻率s和p非常穩(wěn)定。 (2) 晶體振蕩器具有極高的品質(zhì)因素Qq，Qq值高達(dá)5萬(wàn)以上，因此具有極高的穩(wěn)頻能力。(3)晶體諧振器的接入系數(shù)(P=Cq/Co)非常小,一般在10-3數(shù)量級(jí)。(4) 由晶體振蕩器的電抗特性可知，若晶體工作在頻率為fs和fp之間，即fsfoscfp，則晶體呈感抗特性。這時(shí)晶體諧振器在振蕩電路中，可作為一個(gè)高Q大電感元件參與振蕩，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻。55 晶體振蕩器551石英晶體諧振器的電特性24 八月 2022 55 晶體振蕩器 552晶體振蕩器晶體在振蕩電路中的不同作用并聯(lián)型晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩器晶體工作在fsfp的感性頻段，等效作為三點(diǎn)式電路中的回路電感，相應(yīng)構(gòu)成

21、的振蕩電路。晶體工作在fs點(diǎn)上，等效為串聯(lián)諧振回路的低阻抗（短路），構(gòu)成的振蕩電路。24 八月 2022 1、并聯(lián)型晶體振蕩電路圖554 皮爾斯(Pierce)振蕩電路 55 晶體振蕩器 552晶體振蕩器 它與Clapp振蕩電路十分類似，利用晶體具有極高的Q和極小的Cq，便可獲得很高的頻穩(wěn)度。 24 八月 2022圖555采用微調(diào)電容的晶體振蕩電路 振蕩器的振蕩頻率往往與晶體標(biāo)稱頻率有偏差。在實(shí)際電路中，除采用微調(diào)電容外，還可采用電感或同時(shí)采用微調(diào)電感和微調(diào)電容等方法來微調(diào)頻率。 55 晶體振蕩器 552晶體振蕩器24 八月 2022在頻率穩(wěn)定度要求很高的場(chǎng)合可采用變?nèi)莨芙M成的溫度補(bǔ)償電路。

22、圖556溫度補(bǔ)償晶體振蕩器實(shí)用電路 55 晶體振蕩器 552晶體振蕩器溫度控制電路1、并聯(lián)型晶體振蕩電路24 八月 20222、串聯(lián)型晶體振蕩電路圖558 串聯(lián)型晶體振蕩器 55 晶體振蕩器 552晶體振蕩器振蕩器的工作頻率fosc必須等于晶體的串聯(lián)諧振頻率fs 24 八月 2022通常將晶體串接在要求低阻抗的反饋支路中，滿足正反饋條件使電路振蕩，這類晶體振蕩電路都稱串聯(lián)型晶體振蕩器。 圖559 正反饋式晶體振蕩器 55 晶體振蕩器 552晶體振蕩器24 八月 2022 大多數(shù)振蕩器的輸出頻率是要求能調(diào)變的，圖中的LO振蕩器，要求有一個(gè)輸出頻率范圍。 調(diào)變的方法一般是將壓控可變電抗元件接在振蕩

23、器的振蕩回路中參與振蕩頻率的改變，這種振蕩器稱為壓控振蕩器(Voltage Controlled Oscillator，VCO)。其中常用的壓控電抗元件是變?nèi)荻O管。 56 壓控振蕩器(VCO)圖542通用收發(fā)信機(jī)前端 24 八月 20221、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，這一特性設(shè)計(jì)制作成的一種壓控電抗元件。 圖561 變?nèi)荻O管符號(hào)和特性曲線56 壓控振蕩器(VCO) 561變?nèi)荻O管VCO24 八月 2022變?nèi)荻O管的結(jié)電容與控制電壓的關(guān)系為 n為變?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為外加反向電壓uC=0時(shí)的結(jié)電容

24、值 。 uD 為PN結(jié)的內(nèi)建電位差，對(duì)硅材料變?nèi)荻O管，uD=0.7V左右； uC為變?nèi)荻O管所加反向偏壓的絕對(duì)值。56 壓控振蕩器(VCO) 561變?nèi)荻O管VCO1、變?nèi)荻O管的壓控特性24 八月 2022 將變?nèi)荻O管接入LC振蕩器的振蕩回路中,讓變?nèi)莨艿目烧{(diào)電容參與振蕩頻率,就構(gòu)成了變?nèi)荻O管VCO 。圖562 變?nèi)荻O管VCO56 壓控振蕩器(VCO) 561變?nèi)荻O管VCO2、變?nèi)荻O管 變?nèi)荻O管必須處于反偏工作狀態(tài).24 八月 2022 圖563 JFETVCO此回路振蕩頻率：56 壓控振蕩器(VCO) 561變?nèi)荻O管VCO2、變?nèi)荻O管24 八月 2022 為了提高VCO的

25、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。 圖中晶體等效為一個(gè)高Q值電感元件，控制電壓調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管的電容值，使其與晶體串聯(lián)后的等效總電感值產(chǎn)生變化，從而調(diào)變VCXO的振蕩頻率。圖564 VCXO振蕩交流通路 圖565 VCXO實(shí)用電路 56 壓控振蕩器(VCO) 562晶體壓控振蕩器VCXO24 八月 2022 VCXO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qCo，所以(fp-fs)就很窄。 56 壓控振蕩器(VCO) 562晶體壓控振蕩器VCXO24 八月 2

26、022 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。 56 壓控振蕩器(VCO) 562晶體壓控振蕩器VCXO24 八月 2022 為增大VCXO輸出頻率的調(diào)控范圍，可在晶體支路中串聯(lián)或并聯(lián)一個(gè)適當(dāng)數(shù)值的電感L。 圖566 VCXO實(shí)用電路 適當(dāng)選取L數(shù)值就可以抵消晶體極片電容Co的容抗，使晶體的fp增大，從而可使VCXO的頻率調(diào)控范圍增大。 56

27、壓控振蕩器(VCO) 562晶體壓控振蕩器VCXO24 八月 2022 VCO是頻率合成器中的重要部件之一,它的主要性能指標(biāo)有: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。56 壓控振蕩器(VCO) 563 VCO的主要技術(shù)指標(biāo) 24 八月 2022圖567 變?nèi)荻O管VCO壓控特性曲線 56 壓控振蕩器(VCO) 563 VCO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。 在設(shè)計(jì)VCO時(shí),必須優(yōu)選變?nèi)荻O管,同時(shí)還要采用合理的

28、振蕩電路結(jié)構(gòu)。通常采用Clapp振蕩器的電路結(jié)構(gòu)。 24 八月 2022 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f =10KHz處，相對(duì)噪聲功率可達(dá)到-130dBC/Hz。56 壓控振蕩器(VCO) 563 VCO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。 24 八月 2022 諧振振蕩器三點(diǎn)式振蕩器(Coplitts電路和Hartley電路)，它們都有一個(gè)高Q的LC回路，可以產(chǎn)生頻譜純度高、相位噪聲性能好的正弦波。 多諧

29、振蕩器通過對(duì)儲(chǔ)能元件充放電工作產(chǎn)生輸出波形的，幾乎不需要外接元件，在高頻全集成PLL中得到廣泛應(yīng)用。由于缺少高Q濾波回路，輸出波形頻譜純度差。 57 集成振蕩器集成振蕩器按輸出波形分集成正弦振蕩器(集成諧振振蕩器)集成非正弦振蕩器(集成多諧振蕩器)(又稱張弛振蕩器)24 八月 2022 1、積分施密特型集成壓控多諧振蕩器 圖中電路由積分器和施密特觸發(fā)器兩部分組成。圖571 積分施密特壓控多諧振蕩器原理57 集成振蕩器 571 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24 八月

30、 2022 積分電容Ct以恒流Io充放電,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。 控制電壓uC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:57 集成振蕩器 571 集成壓控多諧振蕩器24 八月 2022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?？梢?，積分施密特型集成壓控多

31、諧振蕩器具有良好的線性壓控特性。57 集成振蕩器 571 集成壓控多諧振蕩器24 八月 202257 集成振蕩器 571 集成壓控多諧振蕩器100pF100FRt1K 1M輸出振蕩頻率：4K 200K (Rt7、Rt8 )設(shè)定的鍵控頻率: Ct振蕩頻率有良好的穩(wěn)定性以及良好的正弦波若要實(shí)現(xiàn)FSK調(diào)制功能24 八月 202257 集成振蕩器 571 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0.01Hz1MHz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。24 八月 202

32、22、射極耦合型集成壓控多諧振蕩器 積分施密特型集成壓控多諧振蕩器的工作頻率通常低于1MHz,為得到更高的工作頻率采用射極耦合壓控多諧振蕩器。 圖573 射極耦合壓控多諧振蕩器原理圖 57 集成振蕩器 571 集成壓控多諧振蕩器振蕩頻率:具有良好的線性壓控特性 24 八月 2022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： 57 集成振蕩器 571 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。24 八月 2022圖574 MC1658的內(nèi)電路圖工作最高頻率為155MHz。uC=-2-0.2V時(shí),fo=35MHz1

33、50MHz。57 集成振蕩器 571 集成壓控多諧振蕩器24 八月 2022 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。圖575 差分對(duì)管LC振蕩電路 57 集成振蕩器 572 集成電路LC振蕩器振蕩輸出頻率和幅度將很穩(wěn)定 24 八月 2022圖576 MC1648內(nèi)電路和外型 57 集成振蕩器 572 集成電路LC振蕩器24 八月 2022圖576 MC1648內(nèi)電路和外型 57 集成振蕩器 572 集成電路LC振蕩器24 八月 2022圖577 MOS集成振蕩電路 57 集成振蕩器 573 MOS LC集成振蕩器 MOS場(chǎng)效應(yīng)管是一種載

34、流子工作的單極型晶體管，它的主要噪聲來源是溝道噪聲。在1GHz以上的高頻段是一種令人滿意的低噪聲器件,高頻集成振蕩器都采用MOSFET作振蕩管，并采用MOS工藝集成。 24 八月 2022圖578 MOS集成VCO圖579 單電感MOS集成振蕩器 57 集成振蕩器 573 MOS LC集成振蕩器24 八月 2022 集成MOS LC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

35、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。 57 集成振蕩器 574 集成環(huán)形VCO24 八月 2022 環(huán)形VCO由多個(gè)放大器首尾連接組成一個(gè)環(huán)形:圖5710 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)。 57 集成振蕩器 574 集成環(huán)形VCO24 八月 2022圖5711環(huán)形VCO中的兩種增益級(jí) 57 集成振蕩器 574 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. 24 八月 2022 MOS差分放大器輸出差值電流可