通信射频电路 射频振荡器 33-35

• 异质结双极性晶体管(HBT)
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HBT在微波和毫米波电路中表现出了出色 的增益和噪声性能,HBT的垂直结构消除了FET 的表面状态问题，有更好的相位噪声特性。 HBT跨导高，能在宽频带内产生负电阻， 主要用于宽带可调振荡器。 HBT截止电压高，电流处理能力强，振荡 器具有高输出功率。 • SiGe双极型晶体管 SiGe双极型技术可以超过普通硅器件, 提供与GaAs等同的性能，兼具硅的低价性 和批量生产优点。
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低噪声振荡器要求尽可能高的有载品质 因素，高的空载品质因素是前提。 一般而言，谐振回路中的电容的品质因 数都远高于电感，故决定品质因数的元件主 要是电感或等效电感。以石英晶体为代表的 压电晶体器件（工作于感性区域）就具有较 高的空载品质因数。
一般的电感Ql: 粗铜线绕制电感 Ql: 石英晶体Ql: 20-80 100-400 10000-300000
电路要起振，反馈环路的净增益必须大 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）。 T(jω)=-1→Al(jω)=∞
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起振条件: |T(jω)|>1 开环增益越大越易起振!
• 振荡稳定条件
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，信号最终稳定必须 满足幅度和相位的稳定条件。 |Tபைடு நூலகம்jω)| • 振幅稳定条件 稳定时|T(jω)|=1,且为 了确保vo幅值不变还应有 1
•三端振荡器
在三端晶体管的三个外接点（输入、输 出、地）之间分别接以不同电抗元件构成的 振荡器.
X1
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A X3
X2
三端振荡器拓扑结构 理论分析表明要满足相位稳定条件，X1 与X2、X3必须异性（感、容）。振荡频率由 X1与X2、X3构成的回路谐振频率决定。 特点：工作频率高，稳定度更好。
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振荡? 两个状态或两个条件之间的周期变动。 射频振荡器是射频/微波/毫米波电子系 统中一个必不可少的器件，提供原始信号。 一个电子系统中往往需要多个射频振荡器。 1. 提供通信/雷达等电子系统的载波或变频 本振; 2. 提供系统时钟; 3. 系统同步。
• 振荡器使用的器件
1. 二端器件(Gunn, IMPATT, etc.) 2. 三端器件(BJT, HBT, MESFET, etc.)
• 振荡器分类
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按工作原理和分析方法可分为两大类 1. 反馈型振荡器 2. 负阻型振荡器
5.8GHz 注锁振荡器电路，结构，测试性能
&10.2 振荡器原理及电路
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• 振荡器原理
1. 反馈原理 2. 负电阻原理
+ vs i +
R
-
振荡器的反馈模型
振荡器的负电阻模型
2 v P i2 R R R
&7.5 振荡器的相位噪声
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•振荡器输出功率谱
4kTRs F f o S (f ) 1 2 Vs 2QL f

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振荡器闭环和开环时的噪声频谱 • 振荡器相位噪声根源 热噪声和闪烁噪声 闪烁噪声是基带(低频)噪声，由于有源 器件的非线性,将其上变频到载波频率附近.
vs P vs i Rs
2
等效为一负电阻!
除了信号源之外，某些器件的I-V特性也 等效为一个负电阻,即器件的伏安特性出现负 斜率段。
常见的呈现负阻特性的器件有隧道二极 管和双基极二极管。 电子科技大学
i 负阻段
i 电压型
负 阻 段 电流型
v
v
FET
Vc C L
c
Zg
Zf
ZL
Q2
-Rs
&7.4 振荡器基本电路
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•文氏电桥振荡器
利用超前/滞后网络作反馈支路的振荡器。
超前 滞后 网络
R1 C1
Rf=2Ri
v1
R2 C2
v2
vi Ri
+
A
Vout
F(jω) 1/3
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R1 R2 , C1 C2
反馈网络的转移特性曲线
f0
f
1 f0 2 RC
平衡时 vi 0 对v1同相放大，对v2反相放大 同相增益 反相增益
Clapp振荡器中C3远小于C1、C2，从而振 荡频率主要取决于C3、L。而C1、C2决定反馈 电子科技大学 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，因此为实际 电路较多采用。
•电压控制振荡器（VCO）
VCO电路
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VCO是现代频率合成器中的一个重要的 基本组成部件,原理是振荡回路中电抗元件 （主要是电容）随控制电压变化，从而改变 输出频率。
T ( jo ) 0 vi 稳定点
稳定点
vi
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•相位稳定条件 T 0 A 0 F 0 2n
T (o ) 0 =o
幅度和相位稳定条件确立了幅度和相位 在低于稳定点为正反馈，超过稳定点为负反 馈。
• 反馈型振荡器设计要点
Al：闭环电路增益
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T：开环电路增益 Ad T 若对某个频率: βAd=-1,
Vout V3 Ad Al Vi Vi 1 Ad
Vout V3 Ad Al Vi Vi 1 Ad
→∞
电路将自激振荡，不需要外部输入信号。
• Barkhause准则-振荡条件 •起振条件
1.合适的放大器(可变增益) 2.正反馈支路 3.选频网络 4.负斜率相频特性.
&7.2 负电阻振荡器
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电阻R上的电流I的流向与 + + i 电压降vR一致，因此其消耗 R vR vs 功率，呈现正电阻特性。 2 v P i2 R R R 对于信号源，其上的压降与电流方向相反， 输出功率，在上图中其消耗的是负功率。
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振荡器的频率调整主要靠改变L1、L2的 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。
L Vcc R1 L∞
•Copitts振荡器（电容三端振荡器）
2 LC 1 1 1 C C1 C2
C3
f0
1
C1
C2
R2
C2 C1
L
Copitts 振荡器拓扑及电路
&7.5 射频振荡器设计
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• 有源器件选择
振荡器性能很大程度上取决于所选用的有 源器件是否适当。大多数振荡器使用硅双极型 晶体管或GaAs器件。 有源器件在所需频带内能否产生足够的负 阻或是前向增益很重要! 对不同应用及要求， 闪烁噪声，输出功率等因数也应考虑到。 • GaAs FET与硅双极型晶体管(BJT) GaAs FET有高振荡频率，高增益，高输 出功率和高效率优点! 硅双极型晶体管有较低的闪烁噪声,用于 低相位噪声振荡器 !
Copitts振荡器反馈系数取决于C1、C2的 比值。当振荡频率较高时，改变频率要改变 电子科技大学 C1、C2，从而会影响反馈比。
L X1 C3
•Clapp振荡器（改进型Copitts振荡器）
f0 1
C1
C2
2 LC 1 1 1 1 C C1 C2 C3 C3 C1 , C2
Clapp振荡器拓扑
Vout R f 1 3 v1 Ri
Vout R f 1 3 v2 Ri
Rf、Ri提供负反馈, 超前/滞后网络提供正反馈
开环增益
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1 T ( j ) 3 1 3
常用在5K-1MHz工作频率范围, 作低频 信号发生器，信号稳定度差！
• 互感LC振荡器
Vcc C∞
非线性系数Kn定义
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KVCO低 Kn KVCO高
df dVc df dVc
低 高
斜率之比
在频率合成器中
1 1 1 Kn 2 ~ 4 或 1 Kn ~ 4 2
Kn的大小取决于 a.变容管特性; b.变容管接入方式; c.Vc的变化范围. （4）输出幅度应尽可能平稳（有助于谐波 抑制）。
C
L
Q1 Re
•负电阻振荡器分析方法
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FET
Zg
Zf
ZL
在图示的电路中，位于任意位置的平面 AB将电路切割为左右两部分，Zs 和ZL 分别为 左右两部分电路的输入阻抗（最常用的选择 是将参考平面放置在谐振器和晶体管之间）.
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(is ids )Z ds is Z i vs
• 振荡器分类
反馈振荡器 负阻振荡器
&7.1 反馈型振荡器
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• 反馈型振荡器结构
V2 Ad 放大器 V3
1.放大电路;2.反馈网络;3.选频回路;4.电源.
+ Vi 合成+选频 -
V4
β
反馈网络
V2 Vi V4 , V4 V3 , V3 AdV2 Ad Vout V3 Ad V3 Vi , Al 1 Ad Vi Vi 1 Ad
4.频率稳定度 指在规定的时间间隔内，输出频率 偏离标称值的大小，分长期、短期和瞬 间稳定度三种。
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时域：主要用于阿伦方差表征 频域：相位噪声 5. 频谱纯度(失真度) 指输出信号接近理想的标准信号的程度， 一般用杂散分量(包括谐波)和相位噪声来 衡量。 6.效率与功耗 DC-RF的转换效率 整个系统消耗的功率 7. 体积与成本
第十章 射频振荡器
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•本章内容
• • • • 射频振荡器工作原理 射频振荡器主要技术指标 射频振荡器类型和基本电路 射频振荡器设计方法
掌握射频振荡器工作原理，射频振荡 器的起振条件和稳定振荡条件,主要技术 指标，射频振荡器基本电路拓扑结构,射 频振荡器设计方法和性能仿真方法。
• 射频振荡器功能
•Hartley振荡器（电感三端振荡器）
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C1
f0 1 2 LC
Vcc
R1 L∞ C2 C3 R2 L2 L1
L2
L1
L L1 L2 C C1
C1
Hartley振荡器拓扑及电路 Hartley振荡器工作特性主要由电感抽头 （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，回路 品质因数下降，影响频率稳定度。
低相位噪声振荡器设计
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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
4kTRs F S (f ) Vs 2 fo 1 2QL f
欲降低相位噪声，则须提高QL。除要求振 荡回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。 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。
•负电阻振荡器的振荡条件
1.建立适当的静态工作点，使器件工作在负阻 特性区间,满足 Z s Z L 0 2.满足振荡稳定条件（类似Barkhouse准则）
• 产生负电阻的基本电路拓扑
S
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D G Lf
G
D S Cf
• 负电阻振荡器特点
1. 工作频率较高，可达100GHz以上; 2. 电路形式简单; 3. 设计难度较高.
• 常见负阻振荡器
微带振荡器，介质腔体振荡器，YIG振 荡器，耿氏二极管振荡器等
&7.3 振荡器主要性能指标
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1.工作频率 ωo 2.输出电平（功率） 3.频率准确度 常用相对频偏来衡量 0 1PPm (e-6)
1MHz f 0 f 1Hz 100MHz f 0 f 100 Hz
Rb1
C C∞ Re C∞
等效 振荡回路
Rb2
利用互感提供反馈，应注意互感的同名 端。共发电路为反相放大，则反馈应倒相才 电子科技大学 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。 多用于收音机本振，工作频率也不高， 信号频率稳定度也较差。 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， 从而导致寄生振荡产生。
is Z i v gs
vs Zs Z i Z ds g mZ ds Z i is Rs jXs
(Z i Z ds )is g mZ ds Z i is vs
•振荡条件
Zs ZL 0
有源电路单元(ZS)的负电阻和电抗必须 电子科技大学与Z 的电阻和电抗在幅值上相等，符号相反。 L 为了起振，负电阻的幅值应大于小信号 条件下得到的幅值。由于振荡电路中有更多 的负电阻，振荡将持续增长，振荡振幅持续 增大，然有源器件的非线性将导致负电阻的 量值减小，直到达到稳态的量值。
f f高
f低
Vc低
Vc高
Vc
•压控振荡器主要技术指标
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（1）尽可能低的相位噪声←质量指标 （2）频率的相对覆盖应满足要求(针对控 制电压范围)
f 105 ~ 103 fo f 1% ~ 100% fo
晶体压控振荡器 VCXO LC VCO
（3）压控频率特性曲线的非线性尽可能小。 太大可能导致环路参数急剧变化，从而引起 不稳定。