大學物理大學-射頻電路第18講射頻振蕩器

1、South China University of Technology第18講內(nèi)容:引言二極管負阻原理負阻振蕩器原理 :二極管振蕩器 晶體管負阻原理晶體管振蕩器18.1 引言South China University of Technology射頻振蕩器：產(chǎn)生所需頻率、幅度的射頻信號。射頻系統(tǒng)（如雷達、通信、導航等）的信號源。數(shù)字電混頻器W D/A 數(shù)-模變換器BPF功率放大器PA=帶通濾波器本地振蕩器、低通濾波器帶通濾波器A/DLPF HX）=模-數(shù)變換器混頻器BPF傳輸線低噪聲放大器天線開關或雙工器South China University of TechnologyA二極管振蕩器、

2、晶體管振蕩器A功率可到幾十瓦射頻振蕩器的類型丄電真空管類振蕩器A速調(diào)管、磁控管、行波管A功率可到千瓦級態(tài)管South China University of Technology 二極管A體效應管（Gunn管）A雪崩管（IMPACTT管）晶體管：A硅雙極晶體管（BJT）A砷化鎵場效應管（FET）A鍺化硅（SiGe）等異質(zhì) 結雙極晶體管（HBT） 輸出功率及效率：體 效應管不如雪崩管 相位噪聲：體效應管 優(yōu)于雪崩管 頻帶寬，效率高 相位噪聲優(yōu)于二 極管 功耗小 工作溫度較低 可靠性較高于二極管振蕩器振蕩器的工作參數(shù)丄輸出功率：Pout振蕩頻率：fo頻率穩(wěn)定度：/f/oC、/f/天、Af/年 噪聲

3、South China University of Technology諧波抑制（dB）：101g PnPf0 PPo18.2 二極管負阻原理ZDSouth China University of Technology提供能量電壓與電流相位相差180度反射系數(shù)大于1Zd - ZZD + Zc=rd + iXD _ Zc Rd + iXD + Zc當 Rd 1(1 I t t負載網(wǎng)絡連接網(wǎng)絡晶體管7匹配網(wǎng)絡：50QflloutZ1Z m Hn廠Zh負阻的實現(xiàn)South China University of Technology負阻二極管：Gunn管、IMPACTT管晶體管加合適反饋網(wǎng)絡構成Gu

4、nn管產(chǎn)生負阻的機理 1963年，J.B. Gunn實驗發(fā)現(xiàn)，N型砷化鎵半South China University of Technology導體兩端外加電壓，使內(nèi)部電場超過3kV/cm時，產(chǎn)生微波振蕩。 原理：均勻砷化鎵材料中，存在7個能谷， 能量最低的主谷中的電子比能量更高的子谷 中的電子速度更快（遷移率高）。隨著外加 電壓的增加，部分電子從高遷移率的低能谷 轉(zhuǎn)移到低遷移率的高能谷中。于是，電子漂 移速度隨電場增加而減少，形成負阻。South China University of Technology Gunn管沒有PN結，依靠的是體內(nèi)電子轉(zhuǎn)移，所以，也稱轉(zhuǎn)移電子器件，或體效應管。S

5、outh China University of TechnologyGunn管的疇產(chǎn)生的過程 Gunn管中，砷化鎵材料 不可能是均勻的，當管 子兩端電壓大于閥值電 壓時，在不均勻的低摻 雜區(qū)中電場首先超過閥 值電場，區(qū)中的電子漂 移速度減慢，而區(qū)外的 電場仍低于閥值電場， 電子仍以較快的速度向 陽極運動，于是，形成 了兩側具有正負電荷的 對偶極層-偶極疇。South China University of Technology在電場作用下，疇在運動中不斷成長，疇成熟后，向陽極渡越，直至被陽極吸收而消失。 如果管子兩端的電壓仍然保持在閥值電壓以上， 則重復上述過程。形成，b點為疇成熟，c點為疇

6、到達陽極而消失。 在上述過程中，管子內(nèi)部所有電子的平均速度， 即電流的變化規(guī)律如下圖所示。a點為疇開始Gunn管的動態(tài)伏安特性South China University of Technology當Gunn管兩端電壓從零不斷增加，電流遵循 下圖中的A-B-C-D曲線變化。當電壓由大變小時，電流從B點并不能變化到 A點，因為疇尚未消失。直到E點，疇消失， 電流跳到F點，最后到達零點。Gunn振蕩器的振蕩模式South China University of Technology當Gu nn管 與諧振電 路連接時， 調(diào)諧諧振 電路可以 形成三種 振蕩模式： 渡越時間 模、延遲 模和猝滅 模。So

7、uth China University of TechnologySouth China University of Technology丿Research Institute of Antennas & RF TechniquesGunn管的等效電路IMPACTT管產(chǎn)生負阻的機理South China University of Technology當P+N結電場強度達到擊穿電壓時，產(chǎn)生 雪崩擊穿。空穴迅速進入P+區(qū)，電子 進入I區(qū)渡越 到N+區(qū)嚴NIN+雪崩二極管結構South China University of TechnologyIMPACTT管的負阻效應當雪崩管兩端在反 J 向

8、擊穿電壓上再疊 加一個交流信號， 雪崩將發(fā)生在交流 電壓的正半周內(nèi)， 雪崩電子流按指數(shù) 不斷上升，直至電 壓正半周結束，而 后雪崩停止，雪崩 電子流按指數(shù)衰減。 形成了滯后電壓 90啲電流。在電場作用下，雪崩產(chǎn)生的電子流將注入本征層內(nèi)，并向陽極渡越，到達陽極后，電子South China University of Technology流被陽極吸收、消失。同時，外電路出現(xiàn)感應電流。 控制本征層的厚度，進而控制電子流的渡越 時間，就可以控制外電路感應電流的基波與 與管子兩端的外加交變電壓的相位差90。，因 而雪崩管對外電路呈現(xiàn)負阻效應。18.3 負阻振蕩器原理起振條件當RRD時，a0,振蕩隨時間

9、而衰減;J當RvRD時，a0,振幅隨時間而增長;當只=只。時，a=0,振幅保持不變；South China University of Technology為了使起始的振蕩得以增長，負阻器件的 小信號負阻的絕對值必須大于回路電阻，于是得起振條件 ：A()-y?D(o)o同理，對于并聯(lián)振蕩電路，起振條件:g(w)-gd(o)oSouth China University of Technology平衡條件設流過器件的電流(忽略高次諧波),(r)= 1 COS(W f+0) 對于串聯(lián)電路vd （0= R幾厶0 y exp（jwr十j0）十諧波分屋= -7?D（/y COS（69f + 0）-XD（

10、/y 或（砒+ 0）+ 諧波分量 叫G)= Rez伽)/expG砒+ j0)+諧波分量=R(p)l cos(6；r + 0)-sin(twf + 0)+ 諧波分量South China University of Technology/?伽）-fiD（/f + 0）- X （旳）+ XD（/血伽 *+ 0）+ 諧波分量=0利用三角函數(shù)的正交特性，可得平衡條件【例18-1應用負阻二極管設計一6 GHz的振蕩 器。用Zc=50Q系統(tǒng)測得二極管的反射系數(shù)South China University of TechnologyrD = 1 + 1.25Z40。解：負阻二極管振蕩器因是單端口網(wǎng)路，因此

11、對其設計歸結為對負載阻抗的設計。1 + 廠1 + 1.25Z 40。ZD -1 -VD 1 - 1.25Z40。-2.63Z109.3。- -0.8693 + j2.4822Z -1 Zc =-43.5 + j124.11QZ厶=-Z = 43.5 + j124.11Q穩(wěn)定工作條件平衡工作狀態(tài)時，J遇到外界干擾，振蕩會偏離原來的平 衡點。當擾動消失 后，振蕩器如能回 到原來的狀態(tài)，則 振蕩器是穩(wěn)定的， 否則是不穩(wěn)定的。穩(wěn)定條件:e + a 180jxz（e）South China University of Technology（必 Zo）OR穩(wěn)定工作點的圖示判別法J頻率調(diào)諧中跳頻現(xiàn)象Zj(c

12、o)z5()South China University of TechnologyzaZd“)工作點的跳變現(xiàn)象UPfu調(diào)諧方向77PuPlPdPh(b)典型的調(diào)諧滯后特性（a）頻率跳變;（b）功率跳變South China University of Technology頻率穩(wěn)定性對于串聯(lián)電路對于并聯(lián)電路竺 X山二 6a 6a ss2QR6B 6Bd增加穩(wěn)定性的措施減小電抗變化增大儲能QR增加調(diào)諧帶寬的措施加大電抗變化減小儲能QR= 6a 6a s -2QG振蕩器噪聲South China University of Technology11111丨丨 1 11 .振蕩器輸出頻譜Z ) -

13、Zd (I)/之Z S) = Zd (I) + e噪聲向量的起點與終點 所決定的振 蕩電壓的幅 值和頻率隨 機變化，形 成調(diào)幅和調(diào) 頻噪聲0)10lg PnFMPoSouth China University of Technology調(diào)頻噪聲偏離載波頻率為fm處的一定頻帶的調(diào) 頻噪聲功率PnFM與載波功率之比 調(diào)幅噪聲A偏離載波頻率為fm處的一定頻帶的調(diào)幅噪聲功率PnAM與載波功率之比nAMPo18.4 二極管振蕩器微帶二極管振蕩器South China University of Technology變?nèi)荻O管調(diào)諧振蕩器South China University of Technolog

14、ySouth China University of Technology介質(zhì)腔穩(wěn)振蕩器South China University of TechnologySouth China University of Technology是具有反饋網(wǎng)絡的放 大器。反饋網(wǎng)絡把晶體管輸b網(wǎng)絡a恆糾18.5 晶體管負阻原理晶體管振蕩器本質(zhì)上出功率的一部分反饋 到它的輸入端，只要 反饋的信號滿足一定 的相位和振幅條件， 就可以維持振蕩。South China University of Technology反饋振蕩器的振蕩條件可以通過閉環(huán)傳遞函 數(shù)導出：% = H ）=V1 - Ha9）Hf ）H A 放大

15、單元傳遞函數(shù) H F 反饋單元傳遞函數(shù)由于振蕩器沒有輸入信號，Vin=0,則振蕩條 件為Ha）Hf）=1South China University of Technology晶體管振蕩器也可以用負阻振蕩器分析。設 晶體管是潛在不穩(wěn)定的：疋-1S-1S22+|$爲2 -%S2112 1的情形，輸入端接 連接網(wǎng)絡的晶體管從輸出端看進去相當于一 個負阻。同樣，對于I | 1的情形，輸出端接負載 的晶體管從輸入端看進去相當于一個負阻。于是，根據(jù)負阻振蕩器的平衡條件，可以得到晶體管振蕩器的起振條件South China University of TechnologyK v 1|r ouj |r /

16、1K v 1訂lr J 1 r ou r lK v 1 r in r s = 1South China University of Technology實際上，可以證明，輸入端滿足振蕩條件， 則輸出端也滿足振蕩條件。證明：根據(jù)幾=Sil +S21S2J L1 - S22 廠 LSii-AT l1 - S22 廠 LS21S21 廠 s丄 out S22 十1 S1s如果輸出端滿足振蕩條件廠L out = h則rout1snr sS22 Ar s于是r s幾=1故輸入端口也振蕩。_ 1 S22l _ 1rsS11 ArLrinSouth China University of Technolog

17、y18.6晶體管振蕩器J設計步驟：選擇在振蕩頻率上可能處于不穩(wěn)定的一個晶體 管。如果晶體管穩(wěn)定，可以用反饋元件使它處 于不穩(wěn)定狀態(tài)。在穩(wěn)定圓的不穩(wěn)定區(qū)中選擇乙或，使嘉t 根據(jù)，設計輸入網(wǎng)絡。選擇負載Zl或rL，使電路滿足振蕩條件。 設計匹配網(wǎng)絡將外電路負載變換為Zl 具體電路的實現(xiàn)?！纠?8-2用S參數(shù)設計小信號振蕩器。已知BFQ65雙極晶體管在Vce=3V和Vbe=O9V的偏 置下，15GHz測得的共基極S參數(shù)為：South China University of TechnologySi】=1.47Z125。, S = 0.327Z130。S21 = 2.2Z- 63, S22 = 1.2

18、3Z- 45用這個晶體管設計一共基極振蕩器。解：（1）K = -0.975 所以晶體管是潛在不穩(wěn)定的。（2）選定乙或，使|% 1輸入穩(wěn)定圓 Zs應在穩(wěn)定圓的不穩(wěn)定區(qū)中選定并遠離穩(wěn)定區(qū) 。輸入穩(wěn)定圓的半徑和圓心分別為：South China University of Technology00不穩(wěn)定區(qū)Ul既然Cs1，所以不穩(wěn)定區(qū)為包含圓 心的圓內(nèi)區(qū)域。理論上，只要$落在該區(qū)域內(nèi) 就可以滿足振蕩條件。但實際上希望選擇匚使 輸出反射系數(shù)r ou最大化。South China University of Technology*由r（= s九+ S2江out 221 SlS可見，當= S11-1時，爲達

19、到最大（無窮大）,而由振蕩條件知，r = 1/ rout = 0。* 從理論上講，這樣設計很好，但實際中存在一 個問題，這種情況下，振蕩器對負載非常敏感,負載如果稍微離開匚=0則會導致振蕩器停 振。為此，選擇非?？拷黙-1的匚值，這里取r = 0.65Z 125s涵則歸一化輸入網(wǎng)路的阻抗z5 =0.26-70.5如果特性阻抗選擇500,則South China University of TechnologyZs 二(13 - j25)0可以用13 0的電阻串聯(lián)43pF的電容構成輸入 網(wǎng)絡。3)計算輸出反射系數(shù)，確定負載廠 ou = S22 += 14.67Z-36.85。1 Sls廠L 九t

20、_1 = 0.068Z36.85。Zl = ZL = (55.6 + j 4.57)Q1-廠L可由556。的電阻與048nH的電感串聯(lián)形成輸出匹配網(wǎng)絡。4）電路實現(xiàn)South China University of TechnologyGut0.48 nH正反饋晶體管振蕩器我們已經(jīng)知道，如果晶體管不滿足KV1,可以用 J 反饋元件使它處于不穩(wěn)定狀態(tài)。這里以正反饋 電感為例說明之。設晶體管和并聯(lián)電感的阻抗矩陣為South China University of TechnologyZ11Z12Z21Z22ZLjeL jeL jeL jeL因為是串聯(lián)連接，則Z + jeL Z? + jeL Z? + jeL Z?2 + jeLO: ；0c； :L.-Jr-1O:I ;-O正反饋電感0-4i i0將z轉(zhuǎn)化為s，用K檢查