射频通信电路7_射频振荡器

L X1 C1 C2 C3
2π LC 1 1 1 1 = + + C C1 C2 C3 C3 C1 , C2
f0 =
1
Clapp振荡器原理图 Clapp振荡器原理图
蔡竟业 jycai@
Clapp振荡器中 远小于C Clapp振荡器中C3远小于C1、C2，从而 振荡器中C 振荡频率主要取决于C 振荡频率主要取决于C3、L。而C1、C2决定 反馈系数，可以取值较大， 反馈系数，可以取值较大，电路振荡频率不 易受后级影响，振荡频率调整方便， 易受后级影响，振荡频率调整方便，因此为 实际电路较多采用。 实际电路较多采用。 • 负阻振荡器
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反馈网络 β
Ad
Al：闭环电路增益 T：开环电路增益 若对某个频率: 若对某个频率: βAd=-1,
Vout V3 Ad Al = = = Vi Vi 1 + β Ad
Vout V3 Ad = = = Al Vi Vi 1 + β Ad
β Ad = T
→∞
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振荡器的频率调整主要靠改变L 振荡器的频率调整主要靠改变L1、L2的 电感量。 电感量。由于后接放大器通常输入端为容 性负载，因此振荡频率易受负载的影响。 性负载，因此振荡频率易受负载的影响。 •Copitts振荡器（电容三端） Copitts振荡器 电容三端） 振荡器（
一个电子系统中往往需要多个的频率信号
振荡? 两个状态或两个条件之间的周期变动。 振荡? 两个状态或两个条件之间的周期变动。 振荡器按工作原理可分为两大类: 振荡器按工作原理可分为两大类:
1. 反馈型振荡器 2. 负阻型振荡器
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&7.1 反馈型振荡器 •基本组成
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•Hartley振荡器（电感三端振荡器） Hartley振荡器 电感三端振荡器） 振荡器（
C1
f0 = 1 2π LC
Vcc R1 L∞ C2 C3 R2 L2 L1 C1
L = L1 + L2
L2 L1 C = C1
Hartley振荡器原理 Hartley振荡器原理/电路图 振荡器原理/
• 互感LC振荡器 互感LC振荡器 V
cc
Rb1
C C∞
C∞
等效 振荡回路
Rb2
Re
C∞
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利用互感提供反馈，应注意互感的同 利用互感提供反馈， 名端。共发电路为反相放大， 名端。共发电路为反相放大，则反馈应倒 相才能构成正反馈。共基电路为同相放大， 相才能构成正反馈。共基电路为同相放大， 则反馈应同相才能构成正反馈。 则反馈应同相才能构成正反馈。 多用于收音机作外差本振，工作频率 多用于收音机作外差本振， 也不高，信号稳定度也较差。 也不高，信号稳定度也较差。 实际制作调谐放大器时， 特别小心， 实际制作调谐放大器时，应特别小心， 避免信号因电路排版或空间辐射引起回授， 避免信号因电路排版或空间辐射引起回授， 从而导致寄生振荡产生。 从而导致寄生振荡产生。
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L R1
2π LC 1 1 1 = + C2 C C C 1 2 f0 = 1
Vcc L∞
C1
C3
R2
C2 C1
L
Copitts 振荡器原理/电路图 振荡器原理/
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Copitts振荡器反馈系数取决于 Copitts振荡器反馈系数取决于C1、C2 振荡器反馈系数取决于C 的比值。当振荡频率较高时， 的比值。当振荡频率较高时，改变频率要变 C1、C2，会影响反馈比。 会影响反馈比。 •Clapp振荡器（改进的Copitts振荡器） Clapp振荡器 改进的Copitts振荡器 振荡器（ 振荡器）
电路将自激振荡，不需要外部输入信号。 电路将自激振荡，不需要外部输入信号。 电路要想维持振荡，反馈环路的净增 电路要想维持振荡， 益必须大于或等于1 益必须大于或等于1，环路中信号的净相 移必须是360°的正整数倍（正反馈）。 移必须是360°的正整数倍（正反馈）。 T(jω)=T(jω)=-1→Al (jω) =∞
超 前 滞 后 网 络源自R1Rf=2Ri+
v1
C1 C2
R2
v2
vi - A
Ri
Vout
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F(jω) 1/3
R1 = R2 , C1 = C2
1 f0 = 2π RC
f0 f
反馈网络的转移特性曲线 平衡时 vi = 0 对v1同相放大，对v2反相放大 同相放大， 同相增益 反相增益
1.放大电路; 2.反馈网络; 3.选频回路;4.电源. 1.放大电路 2.反馈网络 3.选频回路 电源 放大电路; 反馈网络; 选频回路;4.电源.
Vi + 合成器 V4 V2 Ad 放大器 V3
V2 = Vi − V4 , V4 = β V3 , V3 = AdV2 Vout V3 Ad ∴V3 = Vi , = = = Al 1 + β Ad Vi Vi 1 + β Ad
Vout R f = +1 = 3 v1 Ri Vout R f = +1 = 3 v2 Ri
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Rf、Ri提供负反馈, 超前/滞后网络提供正反馈 提供负反馈, 超前/
开环增益
1 T ( jω ) = × 3 = 1 3
应用在5K~1MHz工作频率 应用在5K~1MHz工作频率,常用作低频 工作频率, 信号发生器，信号稳定度极差 极差！ 信号发生器，信号稳定度极差！
• Barkhause准则 Barkhause准则
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起振条件 |T(jω)|>1 开环增益越大越易起振. 开环增益越大越易起振.
• 振荡器的稳定条件 振荡器的稳定条件
由于振荡器是正反馈，因此起振之初， 由于振荡器是正反馈，因此起振之初， 输出信号势必越来越大， 输出信号势必越来越大，信号最终稳定必 须满足幅度和相位两个方面的稳定条件。 须满足幅度和相位两个方面的稳定条件。
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&7.2 振荡器主要性能指标
1.工作频率 ωo 1.工作频率 2.输出电平（功率） 2.输出电平 功率） 输出电平（ 3.频率准确度 3.频率准确度 ω 常用相对频偏来衡量 ω 1PPm (e-6)
0
1MHz = f 0 → f = 1Hz 100 MHz = f 0 → f = 100 Hz
•负阻振荡器特点 a.工作频率较高(可达100GHz以上); a.工作频率较高 可达100GHz以上 工作频率较高( 以上); b.电路形式简单; b.电路形式简单 电路形式简单; c.设计难度较高. c.设计难度较高 设计难度较高. 常见负阻振荡器： 常见负阻振荡器： 微带振荡器，介质腔体振荡器，YIG振 微带振荡器，介质腔体振荡器，YIG振 荡器， 荡器，耿氏二极管振荡器等
∂ϕT (ω o ) <0 ∂ω ω =ωo
Barkhause幅度和相位稳定条件确立， Barkhause幅度和相位稳定条件确立， 幅度和相位稳定条件确立 对幅度而言，低于稳定点为正反馈， 对幅度而言，低于稳定点为正反馈，超过稳 定点为负反馈。 定点为负反馈。 • 反馈型振荡器设计要点: 反馈型振荡器设计要点: 1. 合适的放大器(可变增益) 合适的放大器(可变增益) 2.正反馈支路(等效) 2.正反馈支路 等效) 正反馈支路( 3.选频网络 3.选频网络 4.负斜率相频特性. 4.负斜率相频特性 负斜率相频特性.
第七章 射频振荡器 书中第七章) (书中第七章)
电子科技大学 蔡竟业
蔡竟业 jycai@
射频/微波/ 射频/微波/毫米波振荡器是电子系统中必不可 少的部件。 少的部件。 1. 提供通信/雷达等电子系统的载波或变频; 提供通信/雷达等电子系统的载波或变频; 2. 提供系统时钟; 提供系统时钟; 3. 系统同步。 系统同步。
一 、振幅稳定条件 稳定时 |T(jω)|=1 且为了确保v 且为了确保vo幅值不变还应有
∂T ( jω o ) <0 ∂vi 稳定点
|T(jω)|
1
稳定点 i 蔡竟业 jycai@
v
二、 相位稳定条件
ϕT (ω0 ) = ϕ A (ω0 ) + ϕ F (ω0 ) = 2nπ
Hartley振荡器工作特性主要由电感抽头 Hartley振荡器工作特性主要由电感抽头 的比值）决定。反馈能量太小， （L1 L2的比值）决定。反馈能量太小，不易 振荡，反馈能量太大，晶体管要饱和， 振荡，反馈能量太大，晶体管要饱和，回路 品质因数下降，影响频率稳定度。 品质因数下降，影响频率稳定度
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&7.4 射频振荡器设计
• 低相位噪声设计
振荡器的主要设计目标之一就是低相位噪声。 振荡器的主要设计目标之一就是低相位噪声。 对三端振荡器输出信号的相位噪声为
fo 1 + 2QL ∆f 欲降低相位噪声，则须提高QL。除要求振荡回 欲降低相位噪声，则须提高 提高Q 路元件空载品质因数尽可能高之外， 路元件空载品质因数尽可能高之外，电路设计的原 则是尽可能的减小放大器对振荡回路引入的损耗。 则是尽可能的减小放大器对振荡回路引入的损耗。 设计中应使放大器始终工作在线性放大区间 线性放大区间， 设计中应使放大器始终工作在线性放大区间， 不能出现饱和状态。当用单管放大器， 不能出现饱和状态。当用单管放大器，则应尽可 能减小bc结跨导的影响 结跨导的影响。 能减小bc结跨导的影响。 4kTRs F Sϕ (∆f ) = Vs 2
4.频率稳定度 4.频率稳定度 时域： 时域：主要用于阿伦方差表征 频域： 频域：相位噪声 5.失真度 5.失真度 谐波、杂散大小. 谐波、杂散大小.
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