高频振荡器之简介.doc

高頻振盪器之簡介一、簡介通訊系統所使用的收發機 ( Receiver transmitter ) 中，決定其品質性能極大因素之一就是射頻振盪器所產生的射極信號品質，一般而言，射頻振盪器所產生的振盪率值，為其實際所用射頻頻率值或只是此值的整數分之一頻率值。典型的振盪器是一個迴路增益為的放大器與頻率選擇網路組成，振盪器的建立並不太難，（事實上要設計一個不會產生高頻振盪的放大器，反而需更花費心力），但是要建立一個品質良好的振盪器卻並不容易。所謂的品質好，必須符合設計者的需求，與具有性能的可預期性 ( Predictability )。典型使用在射頻頻域的振盪器可分為三類：自激式 LC 可變頻率振盪器 ( VFO )石英晶體振盪器 ( Crystal OSC )鎖相迴路 (PLL ) 頻率合成器 ( Frequency Synthesizer )VFO 由於成本較低，目前大多使用在一些低階廉價的商業收發機之應用領域；晶體振盪器則因其有穩定且精確的振盪頻率，故廣為使用在近代通訊設備結構之中，但其振盪頻率的可調性，顯然是一個應用上的重點關鍵技術，為了滿足通訊統的要求，晶體振盪器的泛音 ( Overtone ) 操作與鎖相迴路 ( PLL ) 之應用更形重要。 PLL 頻率合成器廣泛的使用在一些高檔的通訊設備系統中，特別應用在一些倍頻，頻率合成，或是通道化的數位頻率控制系統中；例如：頻道掃描系統 ( Sweep System )，與跳頻 ( Frequency hopping ) 系統等。本文的目的，即在，對有關射頻振盪器提供一些基本的觀念與分析，至於在實際上射頻系統所引發的傳輸，功率與寄生參數等問題，則不在本文的控討範圍。二、LC 諧振電路的原理與應用射頻振盪器必然使用到 LC 諧振電路作有關頻率之選擇，所以 LC 諧振電路的基本理論不可不知。 LC 諧振電路分成兩類，如圖一 (A) 串聯諧振電路 (B) 並聯諧振電路 所示；無論串聯諧振亦或是並聯諧振，在Q值夠大 (Q=10) 的情形下，諧振頻率均為，此時電路中的電容抗 (Xc) 與電感抗 (XL）阻值大小相等 ( ) 但相位相反 (電容落後，電感領先）；Q值的大小（）就描了此諧振電路的品質因數，Q值越高越佳。在應用上，當外來的信號（頻率為）加到此LC諧振電路上時，此諧振電路即會呈現不同的等效特性；如圖一所示，其中時，串聯諧振電路具有最小阻性阻值( LC 短路，阻值：R無相位移），而並聯諧振電路則具有最大電阻性阻值 ( LC 開路，阻值：R，無相位移）。三、LC 回授型振盪器原理與應用射頻振盪器的重要性能表現在振盪器頻率上，必須滿足下列條件：(1) 穩定度要高，且不受電源電壓之影響。(2) 高次諧波含量要小，夠純淨。(3) 頻率具易調整。LC 諧振電路在這一方面而言，確實較 RC 符合需求；將 LC 諧振電路放置放大器的回授路徑上作為符合相位響應要求的頻率之選擇，即可組成如圖二所示的 LC 回授型振盪器基本模組結構。其中Z1、Z2、Z3為電感 L 或為電容 C ，其決定了振盪頻率，在此振盪頻率時，會使 X1+X2+X3=0； 。由此可知此三元件必須為 L 與 C 的組合。而不可能全為 C 或全是 L，振盪頻率則為此 LC 組合的串聯諧振頻率，圖三即為此振盪模組下的兩種分類：圖三 (A) 為考畢子(Colpitts）振盪器，圖三 (B) 為哈特萊 (Hartley) 振盪器。依迴路增益 (Loop gain）為的振盪準則，VFO的振盪條件(亦即為放大器開迴路增益Avo) 則是依使用之放大器的狀態而定，至於電晶體的選擇，一般而言，BJT適合較高振盪頻率的使用，FET則適用於較低振盪頻率的使用，而電晶體的單增益頻寬 ( ) 規格則一律使用較大者。除此之外，由於使用在射頻領域，所以放大器本身宜採用具有較高頻率響應（）的組態結構，例如：CC 放大器，CE-CB疊接 ( cascode ) 放大器，CC-CE串接 ( cascade ) 放大器或 CC-CB放大器等電路。圖四所示即為一個使用於VHF頻帶之哈特萊振盪器，電晶體Q1 ( ) 構建成一個共集極（CC ) 組態放大器，L ( L2與L1 )與 C ()是LC諧振電路，電感 L 可用業餘無線電常用之變壓器 FCZ21-10.5 的初級圖部分( L=1.45uH) 電容係由與變容二極體 D1 ( Varactor )；1SV149組合（串）而成，利用 VR1 調整 D1 的偏壓大小，VR2 調整 LC 諧振電筥的諧振頻率，fo振盪信號由 LC 諧振電路取出後，為了防止負載效應，所以加上一個由電晶體 Q2 組成的緩衝器 ( Buffer ) 使負載不會影響射頻振盪器（Q1，L-C）的性能。由於是射頻訊號輸出，故輸出端應以同軸電纜引出。四、石英晶體振盪器將石英晶體切成薄片，晶體片即具有壓電效應 ( Piezo-electric Effect ) 。此晶片切割之厚度與方向可決定其壓電效應造成的諧振頻率與溫度係數。一般而言，越薄，諧振頻率越高，但需防止晶片因震動而碎裂；典型切割方向，AT 切割與 GT 切割，具有零溫度係數。圖五所示即為石英晶體元件的 阻抗頻率 轉換特性，由圖 (b) 中可知，此晶體元件兼具串聯諧振特性與並聯諧振特性 ，其等效電路如圖 (c) 所示，其中 ( Ls，Cs，Rs)係晶體薄片本身的壓電特性造成，Cp則為包裝此晶體片的夾板金屬造成，故稱為夾板電容，諧振頻率與分別為典型的 fo=20MHz之晶體片，因為CpCs，所以晶體片的並聯與串聯諧振頻率極為靠近( )，一般振盪時，理應維持在與之間（呈電感性）；並且因為晶體薄片在極小的頻率範圍中，具有極大的相位響應變化，所以Q值極高，具有極為精確且穩定的振盪頻率(=ASTTLALSTTLCMOS ) ，如果要得到更高的輸出振盪 (合成)頻率，則可以如圖十二所示，利用混波器 (Mixer）將 fo 先降頻為 fo-，如此則可避開可規劃除頻器之限制。六、結語本文中，以解析高頻率振盪器結構的方式，簡易地談到結構上幾個主要的關鍵性觀念。在實務上，高