射頻電路設(shè)計(jì)技術(shù)第十章

1、10.1 概 述 影響振蕩器頻率穩(wěn)定度的因素主要是振蕩器頻率波動(dòng)，可用頻率漂移（長(zhǎng)期穩(wěn)定度）和隨機(jī)噪聲（短期穩(wěn)定度）兩個(gè)物理量來(lái)表示：（1）長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度（2）短期頻率穩(wěn)定度 在通信系統(tǒng)中，主要考慮信號(hào)源（振蕩器）的短期穩(wěn)定度，而研究短期穩(wěn)定度也就是研究振蕩器的相位噪聲。 現(xiàn)代微波系統(tǒng)需要穩(wěn)定、低相位噪聲、寬帶可調(diào)、有足夠輸出功率與效率的振蕩器，這就是設(shè)計(jì)振蕩器必須滿足的最為基本的要求。 在振蕩器設(shè)計(jì)中有兩個(gè)主要的設(shè)計(jì)目標(biāo)： (1)用最小的功耗，獲得最低的相位噪聲； (2)擴(kuò)大可調(diào)頻率范圍，以提高糾錯(cuò)能力。 振蕩器可根據(jù)產(chǎn)生振蕩的元器件不同分為三種形式： (1)RC正弦波振蕩器； (2)LC振

2、蕩器； (3)反饋型振蕩器。振蕩器的一般結(jié)構(gòu): 10.2 RC正弦波振蕩器 振蕩器中，RC正弦波振蕩器是最基本、最簡(jiǎn)單的振蕩器。其主要特點(diǎn)是： RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為選頻網(wǎng)絡(luò)； RC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為反饋網(wǎng)絡(luò)。10.3 LC振蕩器10.3.1 LC振蕩器的平衡條件 既是 的負(fù)阻抗和電抗與 的電阻和電抗在幅值上相等、符號(hào)相反，則可起振。 從理論上講，LC振蕩器和反饋型振蕩器都可以用于振蕩器電路的設(shè)計(jì)與分析。在實(shí)際應(yīng)用LC振蕩器的公式時(shí)，通常使用線性仿真來(lái)獲得與頻率相關(guān)的輸入阻抗的實(shí)部和虛部。 sL0ZZSZLZ10.3.2 LC振蕩器的基本結(jié)構(gòu)及特性 兩種應(yīng)用最普遍的、可產(chǎn)生負(fù)阻抗的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）電

3、路結(jié)構(gòu)，分別是： 共源極容性反饋電路； 共柵極感性反饋電路。 一般情況下，回路的等效阻抗為：（1）LC并聯(lián)電路具有選頻特性；在諧振頻率處，電路為純阻性（V與I無(wú)相位差），此時(shí)阻值最大。在 處，電路呈電感性。在 處，電路呈電容性。（2）諧振時(shí)，Q越大 越大，振幅特性曲線越尖銳，在 附近，相頻特性變化越快，選頻性能越好。（3）諧振時(shí)，支路電流近似為總電流的Q倍。通常，Q遠(yuǎn)大于1，所以諧振時(shí)LC并聯(lián)電路的回路電流比輸入電流大得多。 0001j ()ZZffQff0f0ff0ff0Z0ff10.4 反饋型振蕩器10.4.1 反饋型振蕩器平衡條件 可以將反饋型振蕩器分為兩類：（1）哈特萊式振蕩器；（2）

4、科畢茲振蕩器。 在實(shí)際的振蕩器中，諧振器的選頻特性（即選頻網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)），決定了振蕩器的輸出頻率與載波頻率附近的噪聲性能。 在設(shè)計(jì)振蕩器時(shí)還必須注意以下問題：（1）為了獲得振蕩器的輸出頻譜，Q倍乘器放大并濾除了電路固有的噪聲；（2）為了避免起振問題，必須使放大器的增益比最小增益大很多。最后的增益會(huì)隨著振蕩幅度的增加而降低，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這是由于器件的非線性而引起的。10.4.2 LC三點(diǎn)式振蕩器的一般結(jié)構(gòu) 根據(jù)LC振蕩器的不同結(jié)構(gòu)，可將三點(diǎn)式振蕩器分為：（1）科畢茲振蕩器是電容反饋三點(diǎn)式振蕩器；（1）哈特萊振蕩器是電感反饋三點(diǎn)式振蕩器。10.5 振蕩器中的相位噪聲 頻率穩(wěn)定度是指在一定的

5、時(shí)間間隔內(nèi)頻率準(zhǔn)確度的變化。 頻率穩(wěn)定度是衡量振蕩器性能的一個(gè)十分重要的指標(biāo)，頻率準(zhǔn)確度要靠穩(wěn)定度來(lái)保證。 如前所述，頻率穩(wěn)定度又可以分為長(zhǎng)期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度兩種。 10.5.1 振蕩器元器件的比較 所選的有源器件是否適當(dāng)，很大程度上決定了振蕩器的性能，所以必須明確有源器件的特性及區(qū)別。 有源器件在所需頻帶內(nèi)能否產(chǎn)生足夠的負(fù)阻抗或前向增益是很重要的。 基于這兩種晶體管的振蕩器在載波附近的噪聲性能相差2030 dB，在過(guò)去，唯一可用于低相位噪聲微波振蕩器的有源器件是雙極型晶體管?，F(xiàn)在，許多新型的晶體管已用于低噪聲領(lǐng)域，特別是在微波毫米波頻段?？梢?，射頻電路的發(fā)展與元器件工藝的發(fā)展是密不可分的。

6、 10.5.2 相位噪聲的頻譜特性 在設(shè)計(jì)振蕩器時(shí)，為了提高頻率穩(wěn)定度及減少相位噪聲，最有效的辦法是提高選頻回路的Q值。同時(shí)，為了減小由于非線性器件的影響，應(yīng)避免幅度噪聲向相位噪聲的轉(zhuǎn)換。 振蕩器中的相位噪聲源主要有兩個(gè)：（1）閃爍噪聲。閃爍噪聲（或稱為1/fm噪聲）是基帶噪聲，在有源器件中，由于器件的非線性作用而上變頻到載波頻率。變頻增益取決于元器件和工作條件。（2）熱噪聲。有源器件的熱噪聲，其頻譜平坦且造成了振蕩器頻譜中特有的 特性。2m1/ f10.5.3 振蕩器的噪聲分析 對(duì)于射頻電壓或電流的任意擾動(dòng)（如噪聲），若振蕩器都能回到平衡點(diǎn)，那么這個(gè)負(fù)阻抗振蕩器則視為穩(wěn)定的。常用的分析方法是

7、靜態(tài)振蕩器的一次分析處理法。 頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程的一個(gè)更通用辦法是：通過(guò)向支持周期性穩(wěn)態(tài)的非線性電路注入一個(gè)確定的小的射頻信號(hào)，該方法同時(shí)可以解決變頻問題。若有幾個(gè)噪聲源，那么它們可能存在相關(guān)性，因此在計(jì)算噪聲功率時(shí)必須考慮幾個(gè)噪聲的相關(guān)因子。 10.5.4 偏置與雜散響應(yīng)的抑制 在振蕩器中的偏置和一般的偏置結(jié)構(gòu)不同，應(yīng)考慮振蕩器的性能要求，從而選擇最為合理的偏置結(jié)構(gòu)。 在選擇偏置結(jié)構(gòu)時(shí)，主要關(guān)注的是功率效率、穩(wěn)定性和易用性。 在設(shè)計(jì)低噪聲振蕩器時(shí)，需要恰當(dāng)?shù)乜刂坪瓦x擇偏置電路，以避免產(chǎn)生任何不希望的調(diào)制信號(hào)或噪聲。 電源電壓和電流的波動(dòng)也可引起輸出功率的波動(dòng)及頻率漂移。最常用的偏置結(jié)構(gòu)是采用一個(gè)或

8、兩個(gè)直流功率。這樣選擇的目的在于保持了振蕩器起振的條件，并且使振蕩器的穩(wěn)定性有較好的控制。 避免雜散振蕩的基本準(zhǔn)則是：消除振蕩所需的幅值和相角條件。實(shí)際上，晶體管提供的放大增益應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求的頻率范圍，同時(shí)，要求其帶寬盡量窄。另外，在設(shè)計(jì)中也應(yīng)考慮到偏置電感、去耦電容及其他片外元器件的影響。 10.6 壓控振蕩器 振蕩器是接收發(fā)射機(jī)中重要的器件，在許多應(yīng)用中也需要含壓控振蕩器（VCO）的鎖相環(huán)（PLL）。 在大多數(shù)情況下，要求振蕩器的頻率是可控的，如頻率合成器、鎖相解調(diào)電路等。 當(dāng)振蕩器的頻率隨外加控制電壓的變化而變化時(shí)，稱為壓控振蕩器（VCO）。10.6.1 壓控振蕩器的理論基礎(chǔ) 壓控振蕩器的主要性能指標(biāo)如下。（1）頻率范圍（2）線性度（3）壓控靈敏度 （4）調(diào)制帶寬 （5）工作電壓 （6）噪聲 構(gòu)成壓控振蕩器的方法一般有兩種： 一種是前面講述的調(diào)諧回路（如LC回路）的振蕩器，用改變回路電抗元件值的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率控制。 另一種是多諧振振蕩器，高頻中常用這類振蕩器，它通過(guò)改變電容充放電電流