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狀態(tài)或兩個條件之間的周期變動。根據(jù)Barkhause準則，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送回輸入端的信號通路，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)學模型加法器放大器反饋網(wǎng)絡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)學模型在上式中，若對某個頻率

βAd=-1,Al→∞此時電路將發(fā)生振蕩，而不需要外部輸入信號。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1.工作頻率（可調(diào)范圍）2.頻率穩(wěn)定度（時域→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→用相對準確度來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)絡作反饋支路的振蕩器。+-R2C2R1C1RiRf=2RiA超前滯后網(wǎng)絡電子系統(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（改進的copitts振蕩器）clapp振蕩器原理圖（實際電路中常用）LC1(X2)C2(X3)C3X1電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]5.振蕩器的低噪聲設計5.振蕩器的低噪聲設計振蕩器的設計目標之一就是低噪聲，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.振蕩器的低噪聲設計據(jù)上公式，從降低噪聲的角度來看，關鍵是提高QL。實際設計時，除要求振蕩回路元件空載品質(zhì)因素盡可能高外，電路設計主要目標是減小放大器引入的損耗。具體就是應設計好直流偏置，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，則應盡量減小bc結(jié)跨導的影響。一般而言有：電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]5.振蕩器的低噪聲設計電子系統(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計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，相位噪聲最好指標大約如下：因此，單獨應用時只能用于一般要求很低的場合。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~幾十萬電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]五、晶體振蕩器因此，設計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，是現(xiàn)代通信系統(tǒng)較好的基準源之一。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：當在晶格結(jié)構(gòu)的一個方向上施加機械力時，在另一個方向它會產(chǎn)生電振動。反之亦然。這種振動也稱為體聲波（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AT800K~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：目前有報道基波晶體頻率可到600MHz當晶體振蕩器要求較高頻率時，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）C1為等效電容，R為等效電阻（101量級）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：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，故實際可能為多級放大器）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晶體時實測得輸出相位噪聲調(diào)試時先用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)晶振當前，作為電子系統(tǒng)頻率或時間基準的高穩(wěn)晶振，為了得到較高的技術指標，主要只有5MHz、10MHz、60MHz、100MHz等少數(shù)幾個頻點。系統(tǒng)所需的其它頻點則需要通過頻率合成而得到。

而且，由于晶體的電參數(shù)會隨溫度而變化，高穩(wěn)晶振通常都要采用恒溫或溫補措施。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]（5）高穩(wěn)晶振高穩(wěn)晶振目前能達到的最好相噪指標大致如下：注意：對于石英晶振，只要電路工作基本正常，至少應達到以下水平：電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]各種時基的對比品種時域穩(wěn)定度（秒穩(wěn)）一般晶振10-5~10-6溫補晶振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：時基的可信頻率準確度大約比穩(wěn)定度低1~2個量級。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重要的基本組成部件，只有基于它，我們才能實現(xiàn)對信號頻率的細微控制，從而完成AFC(AutomaticFrequenceControl)、鎖相與頻率合成。VCO的實質(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的主要技術指標（1）盡可能低的相位噪聲←質(zhì)量指標電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]1.VCO的主要技術指標VcVc高Vc低f低f高f（2）頻率的相對覆蓋（針對控制電壓范圍）電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]1.VCO的主要技術指標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的主要技術指標對VCO來講,其非線性應盡可能小。太大可能導致鎖相環(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的主要技術指標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)工藝相關變?nèi)葜笖?shù)對突變結(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a(chǎn)變?nèi)莨芤话銥橥蛔兘Y(jié)型（如2CB系列），容量8~150pF，使用時應反偏壓。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)莨芴匦砸驗閞s與f0無關，所以變?nèi)莨芷焚|(zhì)有時又用優(yōu)質(zhì)因子來描述。國產(chǎn)變?nèi)莨?2CB)優(yōu)質(zhì)因子約為：（5~100）×102MHz

注意:變?nèi)莨茉趹弥幸欢ㄒ兄绷髌猛?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?，有下列三種方式(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Ω采w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覆蓋：顯然全接入最大，串聯(lián)接入時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(設計步驟)4.LCVCO實際電路（1）設計步驟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(實例)（2）設計實例CC∞1000251000Ω3KC∞C∞C∞-12V60ΩXj400ΩXl3300ΩXk4Xk180ΩC∞C∞Xk2IE2*3KC∞100ΩX115ΩX280ΩR1簡化差分支持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一級電臺對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，輸出信號幅度約為Vpp=200mV，相對覆蓋可達45%（85MHz/3V~125MHz/15V），且單邊帶相噪達到:電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、壓控振蕩器說明：1.Xk1~Xk4設計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.實際中C取值較設計值大。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)在一般性的應用已不需要自己設計制作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，大致相噪指標為：小功率應用已足夠。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的工作頻率已可達到16GHz，相對覆蓋已可達到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熱噪聲電動勢ER會對VCO進行寄生調(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KA0>KA0R時，接入RC無多大影響，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，此種晶組的相對覆蓋很小，一般在10-5以下，設計時只需計算Cj范圍并選取變?nèi)莨芗纯?。?）串聯(lián)式寬帶晶組原理：設計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。此種設計相對覆蓋約在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的阻抗降低從而實現(xiàn)寬帶變頻，此種方式相對覆蓋可進入10-3量級。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]思考題六做VCO設計應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)是一個帶負反饋（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程非常復雜，數(shù)學分析十分繁瑣。然而，PLL應用最終都應處于鎖定狀態(tài)，鎖定后的PLL在一定的動態(tài)范圍之內(nèi)是可以近似地認為是線性的！故從工程角度出發(fā)可以用線性系統(tǒng)或準線性系統(tǒng)的方法對之進行分析。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)的方法對之進行分析。PLL是對參考信號的相位進行鎖定，它是對相位進行處理，因此，對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的相位隨機噪聲和確定周期干擾對相位的寄生調(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

對于不相關的兩個信號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相當于一個積分器電子系統(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PLL至少應有三個組成部分：鑒相器、低通濾波器、壓控振蕩器。

環(huán)路鎖定后，環(huán)路中流動的信息是相位，因此，上述三個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，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→PLL輸出信號受H(p)的影響，呈跟蹤低通濾波特性。2、VCO→輸出受負反饋的影響，呈跟蹤高通濾波特性。（低頻部分被負反饋對消，VCO的低頻相噪被抑制，可改善VCO近端相噪）（輸入信號相噪高頻部分被環(huán)路抑制，可改善輸入信號的遠端相噪）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總的輸出信號的相噪特性為以上各種（信號）相噪分別在兩個傳遞函數(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)域為-π/2~π/2，且近似線性區(qū)域僅在0點附近。只具備鑒相功能（必需同頻）。目前已較少應用。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→輸入信號為脈沖信號。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)域為-2π~+2π，在區(qū)域內(nèi)呈線性。輸出大多為兩路信號（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）無源Z網(wǎng)絡電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]（1）無源Z網(wǎng)絡一般滿足電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]（1）無源Z網(wǎng)絡20lg|F(p)FL(p)|-6-6ω因為是20dB/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）無源Z網(wǎng)絡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）無源Z網(wǎng)絡一般也要求滿足：電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]（1）無源Z網(wǎng)絡-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：（1）對噪聲抑制性能不好，無論是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—輸出信號相差因控制電壓要求不同（對于不同的輸出頻率）而不同。（3）鎖定（捕捉）范圍小。現(xiàn)在僅應用于少數(shù)特殊場合！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：（2）對噪聲抑制性能比一階環(huán)好。（3）相差固定（對高增益二階環(huán)），鎖定后輸入—輸出信號相差不會因控制電壓要求不同（對于不同的輸出頻率）而不同。（1）環(huán)路最穩(wěn)定可靠。為多數(shù)應用場合所采用！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)實際的要求靈活的確定。1.要求對輸入信號良好的跟蹤環(huán)路帶寬（盡可能）越寬越好！2.希望輸出信號相噪盡可能低（1）若輸入?yún)⒖夹盘栂嘣牒?，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枷嘣爰右苑治龊陀嬎?。?）若輸入?yún)⒖夹盘栂嘣氩睿瑒t帶寬越窄越好。

（3）一般情況，應該折中選取環(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10%)6.PLL有一個固有的雜散---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，故實際中大多采用近似（準）二階環(huán)（三階以上轉(zhuǎn)折點較遠）（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)的計算六、環(huán)路參數(shù)的計算充電泵放電泵vrvo環(huán)路參數(shù)的計算公式與采用的濾波器形式相關、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)的計算R1C1C2C3R2VcZ網(wǎng)絡采用此種聯(lián)接時，通常要求：故，在進行環(huán)路參數(shù)分析計算時可不考慮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)的計算電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、環(huán)路參數(shù)的計算步驟：1、根據(jù)要求與相噪分析結(jié)果設定環(huán)路參數(shù)2、測量壓控靈敏度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)的計算（2）相位捕捉時間Tcp頻率轉(zhuǎn)換時間的考慮（以高增益二階環(huán)為例）PLL的頻率轉(zhuǎn)換時間由兩部分組成（1）頻率捕捉時間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)的計算總轉(zhuǎn)換時間按上述公式計算太復雜，工程上大致有如下估算：

由上可知，要得到較快的鎖定時間，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)的計算計算步驟2.測量3.根據(jù)上頁關系有1.根據(jù)要求設定電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]六、環(huán)路參數(shù)的計算電子系統(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)，推導出不用電流泵與Z網(wǎng)絡，而采用理想積分（運放）濾波器時的環(huán)路參數(shù)的計算公式。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.3頻率合成技術1.直接合成所謂“頻率合成”，就是指：由較少的基準頻率源信號（通常為晶振）合成輸出較多的頻率點的信號。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1.直接合成---DS由基準源信號通過分頻、倍頻、混頻而得到。特點：近端相噪指標好，頻率轉(zhuǎn)換時間最短。但遠端相噪不好（雜散較多），頻率步進不易做小，且需大量的濾波器，電路復雜，體積較大，成本高。現(xiàn)在一般情況已較少單獨采用。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：近端相噪較難控制，頻率轉(zhuǎn)換時間長（最慢）；但信號相位鎖定，頻率分辨率高于DS方式，電路相對簡單，成本低，較易實現(xiàn)?，F(xiàn)已得到最廣泛的應用！電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.3頻率合成技術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。因為功能相當于分頻器，故其輸出頻率不高（小于40%參考頻率）。隨著IC電路技術的進步現(xiàn)在DDS的輸出頻率愈來愈高，應用前景看好。

特點：輸出頻率范圍低（?。?，雜散較多，頻率轉(zhuǎn)換時間短，頻率間隔細（步進最?。?，相當于一個小數(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4.混合型前面三種技術的混合應用。是目前電子系統(tǒng)中本振信號產(chǎn)生較為常用的方式，良好的系統(tǒng)設計可兼得優(yōu)點而克服缺點！在設計頻率合成器時,必須要牢記:產(chǎn)生所需要的頻率成分相對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]設計考慮及步驟1、頻率范圍2、頻率步進（分辨率）3、頻譜純度（1）相位噪聲（2）相位雜散4、變頻時間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指標（以某型號電臺頻合器要求為例）1.輸出頻率范圍92.1~120.4999MHz2.頻率步進100Hz3.頻率轉(zhuǎn)換時間<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指標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指標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方案設計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方案設計1.頻率轉(zhuǎn)換時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方案設計再考慮到三環(huán)聯(lián)動，必須都鎖定，因此設計時要求為求環(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方案設計取3.頻率步進設計（1）輸出頻率vo電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]3.3.2方案設計即100Hz步進由PLLII完成←小環(huán)100KHz步進由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方案設計4.實際結(jié)果3個PLL環(huán)路帶寬均取2KHz，ξ=0.7。實測輸出PLLIvR1=40+△/400≈100+KHz均滿足要求。電子系統(tǒng)RF與天線第四章new[1]雜散點評PDVCXO÷R1Mix÷N1÷2VCO3PD÷R2÷N2PDVCO1÷N1IIIIIIvo66.6~131KHz160~

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