電子系統(tǒng)RF與天線第四章new1

電子系統(tǒng)RF與天線第四章new2023/12/28電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.1振蕩器一、基本要求振蕩定義為在兩個(gè)狀態(tài)或兩個(gè)條件之間的周期變動(dòng)。根據(jù)Barkhause準(zhǔn)則，電路要想維持振蕩，必須滿足：（1）反饋環(huán)路的凈增益必須大于或等于1（2）環(huán)路中信號(hào)的凈相移必須是360°的正整數(shù)倍（正反饋）。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.1振蕩器因此，實(shí)際的振蕩器必須有以下組成部分：1.放大提供>=1的正增益，故振蕩器必為有源電路。2.正反饋必須要有將輸出信號(hào)送回輸入端的信號(hào)通路，且為正反饋，并滿足相移條件。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.1振蕩器3.頻率決定條件決定振蕩器工作頻率的元件如：電阻、電容、電感、晶體等4.電源必須要有外加能源以確保增益>=1

震蕩器必為有源電路！電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]二、振蕩器的基本數(shù)學(xué)模型加法器放大器反饋網(wǎng)絡(luò)Vi+-V2V3βV4Ad電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]二、振蕩器的基本數(shù)學(xué)模型在上式中，若對(duì)某個(gè)頻率

βAd=-1,Al→∞此時(shí)電路將發(fā)生振蕩，而不需要外部輸入信號(hào)。震蕩器中放大的是什么？閉環(huán)電路增益電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]三、振蕩器的主要電性能指標(biāo)1.工作頻率（可調(diào)范圍）2.頻率穩(wěn)定度（時(shí)域→阿倫方差頻域→相位噪聲）3.輸出功率4.失真（主要是諧波）5.精度要求→用相對(duì)準(zhǔn)確度來(lái)衡量工程上還有成本、體積、功耗、可靠性等要求。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]四、基本振蕩器類型1.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)電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]1.文氏電橋振蕩器反饋網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移特性曲線f01/2βf電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]四、基本振蕩器類型2.Hartley振蕩器（電感三端振蕩器）L1L2C1Hartley振蕩器原理圖電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]2.Hartley振蕩器Hartley振蕩器電路圖L1L2C1C3R2R1L∞C2Vcc隔直耦合電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]四、基本振蕩器類型注意：Hartley振蕩器工作是否正常主要由電感抽頭（L1，L2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，相位噪聲要大幅增加。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]四、基本振蕩器類型3.Copitts振蕩器（電容三端）LC1C2Copitts振蕩器原理圖電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.Copitts振蕩器Copitts振蕩器電路圖LC1C3R2R1L∞C2Vcc電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]四、基本振蕩器類型4.clapp振蕩器（改進(jìn)的copitts振蕩器）clapp振蕩器原理圖（實(shí)際電路中常用）LC1(X2)C2(X3)C3X1電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]5.振蕩器的低噪聲設(shè)計(jì)5.振蕩器的低噪聲設(shè)計(jì)振蕩器的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一就是低噪聲，以clapp振蕩器為例，理論分析表明，振蕩器輸出相位噪聲為電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]5.振蕩器的低噪聲設(shè)計(jì)據(jù)上公式，從降低噪聲的角度來(lái)看，關(guān)鍵是提高QL。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，除要求振蕩回路元件空載品質(zhì)因素盡可能高外，電路設(shè)計(jì)主要目標(biāo)是減小放大器引入的損耗。具體就是應(yīng)設(shè)計(jì)好直流偏置，讓電路始終工作在線性放大區(qū)間，尤其不能出現(xiàn)飽和狀態(tài)。若用單管放大器，則應(yīng)盡量減小bc結(jié)跨導(dǎo)的影響。一般而言有：電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]5.振蕩器的低噪聲設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]6.低頻自激6.低頻自激低噪聲振蕩器的特征之一是要接入一定數(shù)量的扼流圈以提供直流偏置（通路），從而可能引起低頻自激。低頻自激產(chǎn)生的主要原因是扼流圈的諧振頻率不高。從而導(dǎo)致反饋支路電抗變性；改變振蕩條件，引發(fā)寄生振蕩。解決辦法是近可能設(shè)計(jì)成支路電抗特性不受扼流圈的影響。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]基本振蕩器相噪指標(biāo)上述RLC振蕩器的穩(wěn)定度大致在10-3左右，相位噪聲最好指標(biāo)大約如下：因此，單獨(dú)應(yīng)用時(shí)只能用于一般要求很低的場(chǎng)合。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]其它振蕩器類型在GHz以上還有一些其它形式的振蕩器。如微帶振蕩器，介質(zhì)腔體振蕩器，YIG振蕩器，耿氏二極管振蕩器等。它們的等效電路都和前面介紹的類似，只是利用的反饋方式或介質(zhì)不同而已。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]五、晶體振蕩器從前面我們知道，低噪聲振蕩器要求盡可能高的有載品質(zhì)因素。這里高的空載品質(zhì)因素是前提。以石英晶體為代表的壓電晶體器件就具有這一條件。一般的電感Ql:20~80粗銅線繞制電感Ql:100~400石英晶體Ql:幾~幾十萬(wàn)電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]五、晶體振蕩器因此，設(shè)計(jì)良好的晶體振蕩器具有頻率穩(wěn)定度高，相位噪聲低的顯著優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代通信系統(tǒng)較好的基準(zhǔn)源之一。可作晶振的晶體有多種，但以石英晶體為代表。下面，我們主要介紹已石英晶體為核心的振蕩器電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]1.石英晶體的切割1.石英晶體的切割石英晶體的壓電特性是：當(dāng)在晶格結(jié)構(gòu)的一個(gè)方向上施加機(jī)械力時(shí)，在另一個(gè)方向它會(huì)產(chǎn)生電振動(dòng)。反之亦然。這種振動(dòng)也稱為體聲波（BAW），與施加電壓的振幅成正比。石英晶體的特性與其切割方式有很大關(guān)系。常見切割方式與特性如下：電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]1.石英晶體的切割A(yù)T800K~30MHz沿X軸切比沿Y軸切的溫度特性好BTCT100~500KHzDTETGT<500KHz溫度特性最好MT50~100KHz高穩(wěn)晶振都需要恒溫NT<50KHzJT電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]1.石英晶體的切割xyz電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]1.石英晶體的切割晶體工作頻率：目前有報(bào)道基波晶體頻率可到600MHz當(dāng)晶體振蕩器要求較高頻率時(shí)，可采用泛音晶體?，F(xiàn)成的晶振，一般f>30MHz都是用泛音晶振。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]2.晶體的等效特性2.晶體的等效特性LC1RC2上圖中：L是等效電感（一般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）電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]2.晶體的等效特性由圖可知石英晶體有兩個(gè)諧振頻率串聯(lián)諧振頻率:并聯(lián)諧振頻率:電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]2.晶體的等效特性石英晶體的電抗特性fsf2Xcf感性區(qū)域容性區(qū)域電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]五、晶體振蕩器3.晶體振蕩器（1）分立Pierce電路（工作在感性區(qū)）C1C2C∞XTALout電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]（1）分立Pierce晶振特點(diǎn)：1、短期穩(wěn)定度好2、輸出功率大3、但放大器增益要求高（>70，故實(shí)際可能為多級(jí)放大器）電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]（2）集成Pierce電路（2）集成Pierce電路（工作在感性區(qū)）C1C2RFoutRF的作用為保證處于放大器處于A類工作狀態(tài)。上電路為大多數(shù)IC采用。自己搭建時(shí)也可用門電路代替放大器。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]（3）串聯(lián)式晶振（3）串聯(lián)式晶振利用前面介紹的LC振蕩器及晶體的串聯(lián)諧振特性構(gòu)成晶振。C1C2C3L串聯(lián)式clapp晶振原理圖電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]（3）串聯(lián)式晶振實(shí)際電路C1C2C∞L8.2μH1KΩ100Ω45p10017~22p1.2μH300Ω10040MHz2K1K-12V100μ0.01μ8K10K30Ω91p0.01電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]（3）串聯(lián)式晶振外回路工作在晶體fs附近，在用40MHz晶體時(shí)實(shí)測(cè)得輸出相位噪聲調(diào)試時(shí)先用0.01μ100Ω代替晶體，將外振蕩調(diào)到fs附近，再換接上晶體即可。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]（4）雙晶體振蕩器（4）雙晶體振蕩器有時(shí)為了得到更好的相位噪聲特性，也采用了雙晶體振蕩器，即外振蕩器也用晶體取代電感C1C2電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]（5）高穩(wěn)晶振（5）高穩(wěn)晶振當(dāng)前，作為電子系統(tǒng)頻率或時(shí)間基準(zhǔn)的高穩(wěn)晶振，為了得到較高的技術(shù)指標(biāo)，主要只有5MHz、10MHz、60MHz、100MHz等少數(shù)幾個(gè)頻點(diǎn)。系統(tǒng)所需的其它頻點(diǎn)則需要通過(guò)頻率合成而得到。

而且，由于晶體的電參數(shù)會(huì)隨溫度而變化，高穩(wěn)晶振通常都要采用恒溫或溫補(bǔ)措施。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]（5）高穩(wěn)晶振高穩(wěn)晶振目前能達(dá)到的最好相噪指標(biāo)大致如下：注意：對(duì)于石英晶振，只要電路工作基本正常，至少應(yīng)達(dá)到以下水平：電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]各種時(shí)基的對(duì)比品種時(shí)域穩(wěn)定度（秒穩(wěn)）一般晶振10-5~10-6溫補(bǔ)晶振10-6~10-8恒溫晶振10-7~10-9銣鐘10-9~10-11銫鐘10-11~10-13氫鐘10-13以上注意：時(shí)基的可信頻率準(zhǔn)確度大約比穩(wěn)定度低1~2個(gè)量級(jí)。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、壓控振蕩器電壓控制震蕩器(VCO)是現(xiàn)代頻率合成器中的一個(gè)重要的基本組成部件，只有基于它，我們才能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)頻率的細(xì)微控制，從而完成AFC(AutomaticFrequenceControl)、鎖相與頻率合成。VCO的實(shí)質(zhì)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。1.VCO的主要技術(shù)指標(biāo)（1）盡可能低的相位噪聲←質(zhì)量指標(biāo)電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]1.VCO的主要技術(shù)指標(biāo)VcVc高Vc低f低f高f（2）頻率的相對(duì)覆蓋（針對(duì)控制電壓范圍）電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]1.VCO的主要技術(shù)指標(biāo)最好采用晶體壓控振蕩器VCXO采用LCVCO一般而言（3）壓控頻率特性曲線的非線性用非線性系數(shù)Kn表征,其定義如下：斜率之比電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]1.VCO的主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)VCO來(lái)講,其非線性應(yīng)盡可能小。太大可能導(dǎo)致鎖相環(huán)路參數(shù)急劇變化，從而引起不穩(wěn)定。上式中:電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]1.VCO的主要技術(shù)指標(biāo)頻率合成器中一般要求Kn的大小取決于：a.變?nèi)莨芴匦詁.變?nèi)莨芙尤敕绞絚.Vc的變化范圍（4）輸出幅度平坦度應(yīng)盡可能平穩(wěn)（有助于諧波抑制）。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]2.變?nèi)莨芴匦?.變?nèi)莨芴匦阅壳敖^大多數(shù)VCO都是利用晶體管PN結(jié)結(jié)電容隨電壓而變化的特性來(lái)改變振蕩頻率的。其變化規(guī)律如下：上式中：變?nèi)莨艿刃щ娙蓦娮酉到y(tǒng)RF與天線第四章new[1]2.變?nèi)莨芴匦宰內(nèi)莨芑窘Y(jié)偏壓≈0.65V變?nèi)莨芸刂齐妷罕壤?shù)→與PN結(jié)工藝相關(guān)變?nèi)葜笖?shù)對(duì)突變結(jié)型n=0.5超突變結(jié)型1~2電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]2.變?nèi)莨芴匦試?guó)產(chǎn)變?nèi)莨芤话銥橥蛔兘Y(jié)型（如2CB系列），容量8~150pF，使用時(shí)應(yīng)反偏壓。其等效圖如下：Cjrs其品質(zhì)因數(shù)電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]2.變?nèi)莨芴匦砸驗(yàn)閞s與f0無(wú)關(guān)，所以變?nèi)莨芷焚|(zhì)有時(shí)又用優(yōu)質(zhì)因子來(lái)描述。國(guó)產(chǎn)變?nèi)莨?2CB)優(yōu)質(zhì)因子約為：（5~100）×102MHz

注意:變?nèi)莨茉趹?yīng)用中一定要有直流偏置通路.電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.變?nèi)莨艿慕尤?.變?nèi)莨艿慕尤朐谡袷庪娐分凶內(nèi)莨艿慕尤耄邢铝腥N方式(a)串聯(lián)式(b)全接入(c)并聯(lián)式CjC1LLLCjCjC2電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.變?nèi)莨艿慕尤耄?）串聯(lián)接入式顯然從而可推得電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.變?nèi)莨艿慕尤胂鄬?duì)覆蓋上式中：電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.變?nèi)莨艿慕尤耄?）全電容接入式電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.變?nèi)莨艿慕尤耄?）并聯(lián)式電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]變?nèi)莨艿慕尤敕绞降谋容^（4）三種方式的比較相對(duì)覆蓋：顯然全接入最大，串聯(lián)接入時(shí)C1愈大愈接近全接入式，并聯(lián)接入C2愈小愈接近全接入式。非線性（同樣條件）比較電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]變?nèi)莨艿慕尤敕绞降谋容^故串聯(lián)接入最好。但隨著相對(duì)覆蓋要求的增大，串聯(lián)Kn增大，并聯(lián)Kn減小，都趨向于全接入Kn1641/4221611821/2全接入Kn并聯(lián)Kn串聯(lián)Kn變?nèi)葜笖?shù)電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、壓控振蕩器(設(shè)計(jì)步驟)4.LCVCO實(shí)際電路（1）設(shè)計(jì)步驟a.決定支持電路形式b.決定振蕩回路的參數(shù)c.決定扼流圈電抗值，并要求其自然諧振頻率遠(yuǎn)高于VCO最高工作頻率d.根據(jù)Kn要求選擇Cj并確保其正常工作（反偏）電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、壓控振蕩器(實(shí)例)（2）設(shè)計(jì)實(shí)例CC∞1000251000Ω3KC∞C∞C∞-12V60ΩXj400ΩXl3300ΩXk4Xk180ΩC∞C∞Xk2IE2*3KC∞100ΩX115ΩX280ΩR1簡(jiǎn)化差分支持clappVCO電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、壓控振蕩器滿足短波SSB一級(jí)電臺(tái)對(duì)VCO的要求（高中頻變頻要求fLO:92.1~120.4999MHz）上電路在變?nèi)莨懿捎?CB14(n=1/2)，Xl以聚四氟乙烯作骨架用鍍銀裸銅線繞成（Qe≈300）時(shí)，輸出信號(hào)幅度約為Vpp=200mV，相對(duì)覆蓋可達(dá)45%（85MHz/3V~125MHz/15V），且單邊帶相噪達(dá)到:電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、壓控振蕩器說(shuō)明：1.Xk1~Xk4設(shè)計(jì)取值主要考慮防止低頻自激2.R1,R2防止超高頻自激，最好用鐵氧體磁珠。3.實(shí)際中C取值較設(shè)計(jì)值大。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、壓控振蕩器（集成VCO）（3）集成VCO

由于PLL可以改善VCO的輸出相噪，故現(xiàn)在一般性的應(yīng)用已不需要自己設(shè)計(jì)制作VCO。有多種集成VCO可供選擇。通常集成在IC芯片上的VCO相噪較差，專門的集成VCO略好些，大致相噪指標(biāo)為：小功率應(yīng)用已足夠。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、壓控振蕩器某國(guó)產(chǎn)集成VCO電路如下：Vc4700p+15V2.2K470pL∞L15.1K200p51Ω240200pL∞L210K2000poutput電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、壓控振蕩器對(duì)集成VCO一般在200MHz以下，電感由磁環(huán)繞線而成；200MHz以上，通常以基板上的走線等效電感。目前集成VCO的工作頻率已可達(dá)到16GHz，相對(duì)覆蓋已可達(dá)到200%（0~30V）電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、壓控振蕩器（相噪分析）5.VCO相噪分析（1）Cj在振蕩回路中的等效的影響VCOCjERRCVC(a)VCO在使用時(shí)需加上控制電路，其等效圖如下：若Cj的等效如側(cè)圖，則Rc會(huì)引入損耗，降低QL。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、壓控振蕩器解決辦法是改用(b)圖等效。Cj(b)C∞而且電阻Rc熱噪聲電動(dòng)勢(shì)ER會(huì)對(duì)VCO進(jìn)行寄生調(diào)頻。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、壓控振蕩器（2）VCO總輸出的相噪VCO總輸出的相噪是由振蕩回路，支持電路與控制電路的疊加而決定的。理論分析表明：上式中：支持電路白相噪支持電路的1/f相噪控制電路RC引入相噪電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、壓控振蕩器支持電路相噪特性（單管放大器）110102103104-160-130-120-30f電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、壓控振蕩器表3.1RCKAOR(dB/Hz)ReKA0(單管/差放)KA1(單管/差放)100-1730-156~-147/----135~-125/----1K-163≠0-165~-160/-174~-165-140~-135/-14710K-153電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、壓控振蕩器當(dāng)KA0>KA0R時(shí)，接入RC無(wú)多大影響，又∴寬覆蓋的VCO,KA0R影響大，解決措施是用扼流圈取代之，但應(yīng)小心寄生振蕩。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、壓控振蕩器6.VCXO壓控晶振C∞C∞L∞VCXO的實(shí)現(xiàn)方法是將原晶體振蕩器的晶體以可變諧振頻率的晶組替換。（1）窄帶式晶組電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、壓控振蕩器晶體工作在感性區(qū)域，即f>fs，此種晶組的相對(duì)覆蓋很小，一般在10-5以下，設(shè)計(jì)時(shí)只需計(jì)算Cj范圍并選取變?nèi)莨芗纯?。?）串聯(lián)式寬帶晶組原理：設(shè)計(jì)Lo與Co在fs諧振。將晶組并聯(lián)諧振頻率推高。Ls與Cj串聯(lián)諧振于fs，從而晶體工作于fs附近。此種設(shè)計(jì)相對(duì)覆蓋約在10-4左右。LsCjLo電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]某100MHz-VCXO的相噪特性電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、壓控振蕩器（3）抽頭寬帶晶組LoLs2CjXk1Xk2L∞C∞C1C0Lo/m2LRLs1Ls2Cjr電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、壓控振蕩器工作原理：利用電感抽頭將Cj的阻抗降低從而實(shí)現(xiàn)寬帶變頻，此種方式相對(duì)覆蓋可進(jìn)入10-3量級(jí)。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]思考題六做VCO設(shè)計(jì)應(yīng)主要考慮哪些因素及措施？電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.2鎖相環(huán)PLL鎖相環(huán)是一個(gè)帶負(fù)反饋（相位）的非線性系統(tǒng)，尤其是由開始未鎖到最終鎖定的這一段工作過(guò)程非常復(fù)雜，數(shù)學(xué)分析十分繁瑣。然而，PLL應(yīng)用最終都應(yīng)處于鎖定狀態(tài)，鎖定后的PLL在一定的動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)是可以近似地認(rèn)為是線性的！故從工程角度出發(fā)可以用線性系統(tǒng)或準(zhǔn)線性系統(tǒng)的方法對(duì)之進(jìn)行分析。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.2.1相位噪聲本課程的介紹的即是以線性系統(tǒng)的方法對(duì)之進(jìn)行分析。PLL是對(duì)參考信號(hào)的相位進(jìn)行鎖定，它是對(duì)相位進(jìn)行處理，因此，對(duì)相位噪聲的影響較大。為了更好的了解PLL的原理，有必要再回顧一下有關(guān)相位噪聲的性質(zhì)。一、相位噪聲的定義相位噪聲是指周期信號(hào)的相位隨機(jī)噪聲和確定周期干擾對(duì)相位的寄生調(diào)相。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.2.1相位噪聲二、相位噪聲的性質(zhì)1.疊加性（混頻器）電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.2.1相位噪聲

對(duì)于不相關(guān)的兩個(gè)信號(hào)其相位線性等效模型為：電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.2.1相位噪聲×N2.比例性（1）倍頻器注意：倍頻器只使得輸出信號(hào)的相噪增大N倍（振幅），而相噪的譜型仍保持不變（例如雜散位置不變）電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.2.1相位噪聲（2）分頻器÷N分頻器使相噪振幅降低N倍，譜型同樣保持不變。注意：分頻器也只使得輸出信號(hào)的相噪減小N倍（振幅），而相噪的譜型仍將保持不變（例如雜散位置不變）電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.2.2鎖相環(huán)組成與原理3.2.2鎖相環(huán)組成與原理FL(P)VCO一、基本組成鎖相環(huán)鎖定后的線性化相位模型如下：VCO相當(dāng)于一個(gè)積分器電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.2.2鎖相環(huán)組成與原理由上可見一個(gè)PLL至少應(yīng)有三個(gè)組成部分：鑒相器、低通濾波器、壓控振蕩器。

環(huán)路鎖定后，環(huán)路中流動(dòng)的信息是相位，因此，上述三個(gè)部分的線性化等效模型（鎖定后）分別為：電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.2.2鎖相環(huán)組成與原理1.鑒相器鎖定后

a=

i，Kφ為鑒相增益，比較相差并將相差轉(zhuǎn)化為電壓。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.2.2鎖相環(huán)組成與原理2.低通濾波器FL(p)這里FL(p)可以是零階低通（比例器），一階低通等，它主要決定了PLL的階數(shù)。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.2.2鎖相環(huán)組成與原理3.壓控振蕩器將控制電壓轉(zhuǎn)化為頻率（相當(dāng)于一積分器）電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.2.2鎖相環(huán)組成與原理FL(p)上PLL輸出信號(hào)與輸入同頻，為了改變輸出頻率還可在環(huán)路中插入分頻器（如下頁(yè)圖）、倍頻器、混頻器等。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.2.2鎖相環(huán)組成與原理FL(p)÷N反饋環(huán)路中插入分頻器(除N)電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.2.2鎖相環(huán)組成與原理4.PLL的傳遞函數(shù)（1）前向傳遞函數(shù)（2）誤差傳遞函數(shù)顯然，二者互補(bǔ)，即H(p)低通，He(p)高通電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]傳遞函數(shù)特性KK前向傳遞函數(shù)H(p)呈現(xiàn)跟蹤低通特性。誤差傳遞函數(shù)He(p)呈現(xiàn)跟蹤高通特性。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]傳遞函數(shù)特性1、參考輸入信號(hào)→PLL輸出信號(hào)受H(p)的影響，呈跟蹤低通濾波特性。2、VCO→輸出受負(fù)反饋的影響，呈跟蹤高通濾波特性。（低頻部分被負(fù)反饋對(duì)消，VCO的低頻相噪被抑制，可改善VCO近端相噪）（輸入信號(hào)相噪高頻部分被環(huán)路抑制，可改善輸入信號(hào)的遠(yuǎn)端相噪）電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]傳遞函數(shù)特性3、其它部分→PLL輸出信號(hào)除VCO以外的環(huán)路其他部分---鑒相器、分頻器、混頻器、濾波器、放大器等引入的附加噪聲，均受H(p)的影響，呈現(xiàn)跟蹤低通特性。

PLL總的輸出信號(hào)的相噪特性為以上各種（信號(hào)）相噪分別在兩個(gè)傳遞函數(shù)影響下的綜合結(jié)果！電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]二、PLL典型部件1.鑒相器鑒相器的種類有很多，但大致可以分為兩類。（1）模擬鑒相器→即以乘法器（混頻器作鑒相器）。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]二、PLL典型部件其有效鑒相區(qū)域?yàn)?π/2~π/2，且近似線性區(qū)域僅在0點(diǎn)附近。只具備鑒相功能（必需同頻）。目前已較少應(yīng)用。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]二、PLL典型部件0（2）脈沖鑒相器→輸入信號(hào)為脈沖信號(hào)。典型的有異或門鑒相器與雙D鑒相器，為大多數(shù)集成芯片所采用。既具鑒相也具鑒頻功能。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]二、PLL典型部件鑒相區(qū)域?yàn)?2π~+2π，在區(qū)域內(nèi)呈線性。輸出大多為兩路信號(hào)（脈沖），以脈沖寬度差代表相差。

故后面多接有積分電路已將相差脈沖轉(zhuǎn)化為控制（直流）電壓。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]二、PLL典型部件雙D鑒相器原理圖：abC∞+5V(Vcc)cedghf電荷泵C3R11C3=40~400pR11=100電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]二、PLL典型部件2.環(huán)路濾波器R1C1C2RiVφ(t)Vc(t)（1）無(wú)源Z網(wǎng)絡(luò)電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]（1）無(wú)源Z網(wǎng)絡(luò)一般滿足電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]（1）無(wú)源Z網(wǎng)絡(luò)20lg|F(p)FL(p)|-6-6ω因?yàn)槭?0dB/十倍頻程則為6dB/倍頻程電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]（1）無(wú)源Z網(wǎng)絡(luò)若鑒相器輸出的是脈沖電流（如下圖）R1C1C2i

(t)Vc(t)電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]（1）無(wú)源Z網(wǎng)絡(luò)一般也要求滿足：電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]（1）無(wú)源Z網(wǎng)絡(luò)-6-6ω電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]二、PLL典型部件（2）有源積分濾波器Ri-+R1C1C2baVc(t)電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]（2）有源積分濾波器其中電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]（2）有源積分濾波器20lg|F(p)FL(p)|-6-6ω電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]三、一階鎖相環(huán)三、一階鎖相環(huán)Kf÷N→環(huán)路濾波器中沒有電容。前者稱為PLL的前向傳遞函數(shù)，后者稱為誤差傳遞函數(shù)。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]三、一階鎖相環(huán)上兩式中的K稱為環(huán)路增益（或環(huán)路帶寬）+6K-6K電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]三、一階鎖相環(huán)一階環(huán)特點(diǎn)：（1）對(duì)噪聲抑制性能不好，無(wú)論是H(p)，還是He(p)的帶外衰減特性都僅-6dB/倍頻程。（2）相差不固定，鎖定后輸入—輸出信號(hào)相差因控制電壓要求不同（對(duì)于不同的輸出頻率）而不同。（3）鎖定（捕捉）范圍小。現(xiàn)在僅應(yīng)用于少數(shù)特殊場(chǎng)合！電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]四、二階鎖相環(huán)四、二階鎖相環(huán)采用有源一階積分（理想）濾波器（直流增益無(wú)窮大）的PLL即稱為高增益PLL，反之稱為低增益PLL?，F(xiàn)在一般都采用高增益PLL.將該濾波器傳遞函數(shù)代入PLL傳遞函數(shù)可得電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]四、二階鎖相環(huán)進(jìn)而可推得：電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]四、二階鎖相環(huán)其中（阻尼系數(shù)）環(huán)路自然諧振頻率，單位：弧度/秒環(huán)路帶寬，單位：弧度/秒電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]四、二階鎖相環(huán)-120-120欠阻尼過(guò)阻尼一般取臨界阻尼電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]四、二階鎖相環(huán)二階環(huán)特點(diǎn)：（2）對(duì)噪聲抑制性能比一階環(huán)好。（3）相差固定（對(duì)高增益二階環(huán)），鎖定后輸入—輸出信號(hào)相差不會(huì)因控制電壓要求不同（對(duì)于不同的輸出頻率）而不同。（1）環(huán)路最穩(wěn)定可靠。為多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合所采用！電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]五、環(huán)路參數(shù)的選取五、環(huán)路參數(shù)的選取

環(huán)路參數(shù)（帶寬、阻尼系數(shù)）的選取沒有唯一的定規(guī)，必須根據(jù)實(shí)際的要求靈活的確定。1.要求對(duì)輸入信號(hào)良好的跟蹤環(huán)路帶寬（盡可能）越寬越好！2.希望輸出信號(hào)相噪盡可能低（1）若輸入?yún)⒖夹盘?hào)相噪好，則帶寬越寬越好。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]五、環(huán)路參數(shù)（帶寬）的選取3.環(huán)路中除VCO外其它部分的噪聲都是低通型（H(p)起作用）的，因此應(yīng)將分頻器、鑒相器等的噪聲列入輸入?yún)⒖枷嘣爰右苑治龊陀?jì)算。（2）若輸入?yún)⒖夹盘?hào)相噪差，則帶寬越窄越好。

（3）一般情況，應(yīng)該折中選取環(huán)路帶寬。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]五、環(huán)路參數(shù)（帶寬）的選取(最大不宜超過(guò)10%)6.PLL有一個(gè)固有的雜散---鑒相紋波減小鑒相紋波的措施：4.要PLL輸出信號(hào)的頻率轉(zhuǎn)換快（N改變）5.環(huán)路帶寬受鑒相頻率的影響，一般有則ωn越大越好，且通常ξ<1(0.7)（1）K↓（2）增加環(huán)路邊帶濾波C2，甚至R2、C3電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]五、環(huán)路參數(shù)（帶寬）的選?。?）一階環(huán)鎖定范圍小鎖相環(huán)特性小結(jié)（2）二階環(huán)最穩(wěn)定，性能也好，故實(shí)際中大多采用近似（準(zhǔn)）二階環(huán)（三階以上轉(zhuǎn)折點(diǎn)較遠(yuǎn)）（3）三階以上環(huán)路不易穩(wěn)定，但邊帶濾波效果好些電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、環(huán)路參數(shù)的計(jì)算六、環(huán)路參數(shù)的計(jì)算充電泵放電泵vrvo環(huán)路參數(shù)的計(jì)算公式與采用的濾波器形式相關(guān)、最佳方式是采用以下方案。脈沖鑒相器（雙D鑒相器）+電流泵+Z網(wǎng)絡(luò)電壓/電流轉(zhuǎn)換電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、環(huán)路參數(shù)的計(jì)算Iφv0vr高速電流泵電路電路將超前鑒相輸出脈沖vr

轉(zhuǎn)化為充電電流。電路將滯后鑒相輸出脈沖vo

轉(zhuǎn)化為放電電流。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、環(huán)路參數(shù)的計(jì)算R1C1C2C3R2VcZ網(wǎng)絡(luò)采用此種聯(lián)接時(shí)，通常要求：故，在進(jìn)行環(huán)路參數(shù)分析計(jì)算時(shí)可不考慮R2,C3電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、環(huán)路參數(shù)的計(jì)算其中（參見前面分析）：電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、環(huán)路參數(shù)的計(jì)算再有：電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、環(huán)路參數(shù)的計(jì)算電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、環(huán)路參數(shù)的計(jì)算步驟：1、根據(jù)要求與相噪分析結(jié)果設(shè)定環(huán)路參數(shù)2、測(cè)量壓控靈敏度KVCO，及鑒相增益K

3、根據(jù)前述公式求取Z網(wǎng)元件絡(luò)參數(shù)值。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、環(huán)路參數(shù)的計(jì)算（2）相位捕捉時(shí)間Tcp頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間的考慮（以高增益二階環(huán)為例）PLL的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間由兩部分組成（1）頻率捕捉時(shí)間Tcf，取決于轉(zhuǎn)換初始頻差電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、環(huán)路參數(shù)的計(jì)算總轉(zhuǎn)換時(shí)間按上述公式計(jì)算太復(fù)雜，工程上大致有如下估算：

由上可知，要得到較快的鎖定時(shí)間，就需要足夠大的環(huán)路自然諧振頻率！電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、環(huán)路參數(shù)的計(jì)算計(jì)算步驟2.測(cè)量3.根據(jù)上頁(yè)關(guān)系有1.根據(jù)要求設(shè)定電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、環(huán)路參數(shù)的計(jì)算電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]思考題七試根據(jù)本節(jié)給出的傳遞函數(shù)，推導(dǎo)出不用電流泵與Z網(wǎng)絡(luò)，而采用理想積分（運(yùn)放）濾波器時(shí)的環(huán)路參數(shù)的計(jì)算公式。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.3頻率合成技術(shù)1.直接合成所謂“頻率合成”，就是指：由較少的基準(zhǔn)頻率源信號(hào)（通常為晶振）合成輸出較多的頻率點(diǎn)的信號(hào)。分為四類：2.間接合成3.DDS4.混合型電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.3頻率合成技術(shù)1.直接合成---DS由基準(zhǔn)源信號(hào)通過(guò)分頻、倍頻、混頻而得到。特點(diǎn)：近端相噪指標(biāo)好，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間最短。但遠(yuǎn)端相噪不好（雜散較多），頻率步進(jìn)不易做小，且需大量的濾波器，電路復(fù)雜，體積較大，成本高?，F(xiàn)在一般情況已較少單獨(dú)采用。本課不做介紹。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.3頻率合成技術(shù)2.間接合成主要利用PLL及其組合而得到所需頻率范圍。特點(diǎn)：近端相噪較難控制，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)（最慢）；但信號(hào)相位鎖定，頻率分辨率高于DS方式，電路相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低，較易實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)已得到最廣泛的應(yīng)用！電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.3頻率合成技術(shù)3.DDS----直接數(shù)字頻率合成利用ROM+DAC轉(zhuǎn)換器得到所需信號(hào)。因?yàn)楣δ芟喈?dāng)于分頻器，故其輸出頻率不高（小于40%參考頻率）。隨著IC電路技術(shù)的進(jìn)步現(xiàn)在DDS的輸出頻率愈來(lái)愈高，應(yīng)用前景看好。

特點(diǎn)：輸出頻率范圍低（?。?，雜散較多，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，頻率間隔細(xì)（步進(jìn)最?。?，相當(dāng)于一個(gè)小數(shù)分頻器。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.3頻率合成技術(shù)4.混合型前面三種技術(shù)的混合應(yīng)用。是目前電子系統(tǒng)中本振信號(hào)產(chǎn)生較為常用的方式，良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可兼得優(yōu)點(diǎn)而克服缺點(diǎn)！在設(shè)計(jì)頻率合成器時(shí),必須要牢記:產(chǎn)生所需要的頻率成分相對(duì)容易而抑制不需要的頻率成分很難！！電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]設(shè)計(jì)考慮及步驟1、頻率范圍2、頻率步進(jìn)（分辨率）3、頻譜純度（1）相位噪聲（2）相位雜散4、變頻時(shí)間5、其它輸出電平、平坦度、隔離度、功耗等電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.3.1頻率合成器的主要技術(shù)指標(biāo)（以某型號(hào)電臺(tái)頻合器要求為例）1.輸出頻率范圍92.1~120.4999MHz2.頻率步進(jìn)100Hz3.頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間<4ms4.頻譜純度1）單邊帶相噪L(1KHz)(dB)<-70dBc/HzL(100KHz)(dB)<-130dBc/Hz帶內(nèi)相噪要求聲音的主要頻率是1KHz帶外相噪要求電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.3.1頻率合成器的主要技術(shù)指標(biāo)2）雜散5.射頻接口阻抗：50

控制接口：TTL電平6.輸出電平1）幅值≥0dBm(RL=50Ω)2）平坦度±1dB電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.3.1頻率合成器的主要技術(shù)指標(biāo)9.溫度范圍-40~+55℃11.成本10.可靠性7.功耗≤1.3W8.體積240×75×20mm3電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.3.2方案設(shè)計(jì)PDVCXO÷R1Mix÷N1÷2VCO3PD÷R2÷N2PDVCO1÷N1IIIIIIvo66.6~131KHz160~

240MHz80KHz2000~2999vR10MHz10MHz諧波混頻+-919~120292.1~120.499KHz40MHz+△R1=100100K+△Hz一、多環(huán)式電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.3.2方案設(shè)計(jì)1.頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間的考慮做工程估算：2.各環(huán)鑒相頻率的考慮以惡劣的情況考慮電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.3.2方案設(shè)計(jì)再考慮到三環(huán)聯(lián)動(dòng)，必須都鎖定，因此設(shè)計(jì)時(shí)要求為求環(huán)路穩(wěn)定可靠，要求鑒相頻率vr電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.3.2方案設(shè)計(jì)取3.頻率步進(jìn)設(shè)計(jì)（1）輸出頻率vo電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.3.2方案設(shè)計(jì)即100Hz步進(jìn)由PLLII完成←小環(huán)100KHz步進(jìn)由PLLI完成←大環(huán)PLLIII←稱轉(zhuǎn)移環(huán)（2）鑒相頻率PLLIIvR3=80KHzPLLIII取N2=2000~2999→1000個(gè)100HzvR2=60×106/919~240×106/1202≈66.6~131KHz電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.3.2方案設(shè)計(jì)4.實(shí)際結(jié)果3個(gè)PLL環(huán)路帶寬均取2KHz，ξ=0.7。實(shí)測(cè)輸出PLLIvR1=40+△/400≈100+KHz均滿足要求。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]雜散點(diǎn)評(píng)PDVCXO÷R1Mix÷N1÷2VCO3PD÷R2÷N2PDVCO1÷N1IIIIIIvo66.6~131KHz160~

240MHz80KHz2000~2999vR10MHz10MHz諧波混頻+-919~120