第17章振荡器

1、2022-4-101振荡器Oscillators张艺蒙张艺蒙西安电子科技大学微电子学院2022-4-102（1）定义：）定义：振荡器是一种不需外加信号激励而能自动将直流能量变换为周期性交变能量的装置。（2）分类：）分类： 按振荡波形分类：按振荡波形分类：振荡器分为正弦波振荡器正弦波振荡器和非正弦波振和非正弦波振荡器荡器。输出波形接近于理想正弦波的称为正弦波振荡器，波形为方波、矩形波或其它波形的称为非正弦波振荡器。 按工作机理分类：按工作机理分类：根据产生振荡的机理，正弦振荡器还可分为反馈振荡器反馈振荡器和负阻振荡器和负阻振荡器。 按选频网络分类：按选频网络分类：分为RC振荡器振荡器、LC振荡器

2、振荡器、晶体振荡晶体振荡器器以及压控振荡器（以及压控振荡器（VCO）、压控晶体振荡器（）、压控晶体振荡器（VCXO）等等。随着集成技术的发展，相继又出现了集成振荡器、开相继又出现了集成振荡器、开关电容振荡器关电容振荡器等。一、振荡器概述一、振荡器概述2022-4-103（3）应用：）应用： 无线电发射机用它产生载荷信息的载波信号载波信号。 超外差接收机用它产生本地振荡信号本地振荡信号。 各种电子测量设备和计时仪表用它产生频率（或时间）基准信号基准信号 工业生产部门广泛应用的高频电加热设备高频电加热设备等。（4）基本构成：）基本构成： 一个由储能元件构成的决定振荡频率的选频网络选频网络。 一个在

3、规定频段内具有能量变换（或放大）作用的换能作用的换能机构。（有源器件机构。（有源器件-放大器）放大器） 一个有助于补充元器件能量损耗和保证振荡器工作稳定的反馈电路。反馈电路。 一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件非线性元件。事实上，在晶体管正弦振荡器中，晶体管既起着能量变换能量变换的作用的作用，又起着调整和控制振荡强度的非线性作用非线性作用。振荡器概述振荡器概述2022-4-104振荡条件振荡条件相位判据相位判据 ：T() = 3602022-4-105振荡器的稳定条件u实用振荡器：振荡频率（振荡周期）和振荡幅度必须稳定，实用振荡器：振荡频率（振荡周期）和振荡幅度必须稳定，振荡器在稳定工

4、作时（达到平衡状态），需要满足振幅稳定性振荡器在稳定工作时（达到平衡状态），需要满足振幅稳定性条件和相位稳定性条件条件和相位稳定性条件u在振荡器的起振阶段，环路增益在振荡器的起振阶段，环路增益|T()|要大于要大于1（振荡器的起振（振荡器的起振条），保证振荡器能将微小的噪声放大为稳定的周期性输出信号条），保证振荡器能将微小的噪声放大为稳定的周期性输出信号 考虑到温度和工艺的变化，在振荡频率处的环路增益设计为必须值的考虑到温度和工艺的变化，在振荡频率处的环路增益设计为必须值的23倍倍 当环路中的信号振幅增加到一定程度后，振荡器中有源器件存在的非线性当环路中的信号振幅增加到一定程度后，振荡器中有源

5、器件存在的非线性会限制振幅的继续增加，使得振荡器的输出达到稳定，这是一个非线性过程会限制振幅的继续增加，使得振荡器的输出达到稳定，这是一个非线性过程u要使满足要使满足Barkhausen判据的反馈系统成为一个实用的振荡器，判据的反馈系统成为一个实用的振荡器，反馈系统必须包含有某种频率选择功能，使得该振荡器仅在我们反馈系统必须包含有某种频率选择功能，使得该振荡器仅在我们所需要的频率处振荡所需要的频率处振荡LC谐振电路：反馈网络采用谐振电路：反馈网络采用LC谐振电路谐振电路 环型振荡器：使得反馈系统的环路传输函数仅在一个频率点上满足环型振荡器：使得反馈系统的环路传输函数仅在一个频率点上满足Bark

6、hausen判据判据2022-4-106振幅稳定性条件 振幅稳定性条件的关键是在平衡点附件，环路增振幅稳定性条件的关键是在平衡点附件，环路增益幅度随振幅的变化特性具有负的斜率益幅度随振幅的变化特性具有负的斜率 有源器件的非线性具有稳定振荡幅度的作用有源器件的非线性具有稳定振荡幅度的作用振幅平衡条件受到破坏时，振幅平衡条件受到破坏时，振荡器本身能重新建立起振幅振荡器本身能重新建立起振幅平衡点的条件，若能建立，则平衡点的条件，若能建立，则振荡器仍能保持稳定的振荡振荡器仍能保持稳定的振荡2022-4-107软自激与硬自激l 软自激：软自激：不需要外加激不需要外加激励，依靠振荡器内部电励，依靠振荡器内

7、部电路的噪声便可自激（路的噪声便可自激（ 一一个振幅平衡点）个振幅平衡点）硬自激：硬自激：需要外加一个冲击信号需要外加一个冲击信号才能起振的现象（两个振幅平衡才能起振的现象（两个振幅平衡点，其一个为不稳定平衡点）点，其一个为不稳定平衡点）自动幅度控制技术自动幅度控制技术2022-4-108相位稳定性条件2022-4-109二、负阻振荡器 LC Resonance2022-4-1010LC Resonance理想振荡器的输出是标准的正弦信号，电流信号滞理想振荡器的输出是标准的正弦信号，电流信号滞后电压相位后电压相位902022-4-1011LC Oscillators2022-4-1012Pra

8、ctical Design Issues2022-4-1013Practical Design Issues2022-4-1014Practical Design Issues2022-4-1015Practical Design Issues2022-4-1016Negative Resistor Design2022-4-1017负阻的概念负阻的概念 正电阻与负电阻都必须是对交流来说。负电阻在直流特性正电阻与负电阻都必须是对交流来说。负电阻在直流特性V/I永远为永远为正值，所以负电阻是将直流能量转化为交流能量。正值，所以负电阻是将直流能量转化为交流能量。 正反馈可以形成负阻正反馈可以形成负

9、阻1GGGMVZiG 2022-4-1018负阻振荡器的基本原理 为了产生振荡，负阻为了产生振荡，负阻Rn的阻值必须小的阻值必须小于等于于等于LRC回路的等效并联阻抗回路的等效并联阻抗RP 当它们阻值相等时，电路产生等幅的当它们阻值相等时，电路产生等幅的振荡信号，能量在电感和电容之间互振荡信号，能量在电感和电容之间互相转换，而回路损耗所消耗的能量由相转换，而回路损耗所消耗的能量由负阻提供。负阻提供。 当当Rn的阻值小于的阻值小于RP时，负阻提供的能时，负阻提供的能量大于量大于LRC回路消耗的能量，振荡信回路消耗的能量，振荡信号幅度逐渐增加号幅度逐渐增加 当负阻由有源器件（电路）来实现时，当负阻

10、由有源器件（电路）来实现时，有源器件（电路）本身固有的非线性有源器件（电路）本身固有的非线性会限制振荡信号幅度不能无限制增长，会限制振荡信号幅度不能无限制增长，最终振荡信号会稳定在某一个固定的最终振荡信号会稳定在某一个固定的振荡幅度上振荡幅度上2022-4-1019LC振荡电路的实现振荡电路的实现振荡频率振荡频率振荡条件振荡条件类型：负阻型类型：负阻型LC振荡器、反馈型振荡器、反馈型LC振荡器振荡器12fLC1MPGR2022-4-1020Real LC Oscillators2022-4-1021常用的负阻振荡器电路2022-4-1022三、反馈型三、反馈型LC振荡器振荡器 振荡原理：有源器

11、件提供振荡要求的正反馈，而谐振电振荡原理：有源器件提供振荡要求的正反馈，而谐振电路提供频率选择功能。路提供频率选择功能。 典型电路结构：典型电路结构：2022-4-1023p有源器件提供振荡要求的正反馈，而谐振电路提供频率选择功能，有源器件提供振荡要求的正反馈，而谐振电路提供频率选择功能，它们之间的不同仅在于谐振电路的构成方式上它们之间的不同仅在于谐振电路的构成方式上p反馈型反馈型LC振荡器中仅有一个有源器件，因此它们可以产生很高的振荡器中仅有一个有源器件，因此它们可以产生很高的振荡频率，并具有优良的噪声性能振荡频率，并具有优良的噪声性能p起振对有源器件的的跨要求要高很很，跨导功耗很大起振对有

12、源器件的的跨要求要高很很，跨导功耗很大p晶体管管可以采采取源结构或或取共结构，这时反馈信号号晶体晶体管管可以采采取源结构或或取共结构，这时反馈信号号晶体管共端反馈到晶体管栅极或或号晶体管源极反馈到晶体管栅极管共端反馈到晶体管栅极或或号晶体管源极反馈到晶体管栅极2022-4-1024Colpitts振荡器振荡器 图中阻抗图中阻抗Rp代表谐振电路的损耗，电流源给晶体管提供偏置电流，代表谐振电路的损耗，电流源给晶体管提供偏置电流，由于采用由于采用LC谐振电路来选择振荡频率，因此理想输出是一个正弦波。谐振电路来选择振荡频率，因此理想输出是一个正弦波。输出经过输出经过C1分压得到分压得到V1反馈到晶体管

13、源极形成正反馈。反馈到晶体管源极形成正反馈。 分析方法，求出闭环传递函数分析方法，求出闭环传递函数Vout / Iin，使分母为零。，使分母为零。2022-4-1025Colpitts振荡器振荡器流过流过C1的电流为的电流为因此因此流过流过C2的电流为的电流为在输出端应用在输出端应用KCL定律定律整理得到闭环传输函数整理得到闭环传输函数2022-4-1026Colpitts振荡器振荡器令分母为0，得到一般情况下，解得振荡频率为解得振荡频率为晶体管大信号的跨为通过这个公式可以得到当C1/C2=1时， 达到最小值该该式是振荡器维持式是振荡器维持稳定振荡所应满稳定振荡所应满足的条件，决定足的条件，决

14、定了晶体管的大信了晶体管的大信号的跨值号的跨值晶体管的小信号晶体管的小信号的跨的跨gm通常被设通常被设计为上式确定值计为上式确定值的的5倍左右倍左右在确定了晶体管在确定了晶体管的小信号的跨后，的小信号的跨后，由偏置电流和由偏置电流和MOS管的管的I-V方程方程就可以确定晶体就可以确定晶体管的尺寸和过驱管的尺寸和过驱动电压动电压2022-4-10272022-4-1028Colpitts振荡器的设计步骤振荡器的设计步骤1. 根据振荡频率根据振荡频率 要求，求得要求，求得C1,C2,Lp的参数值，这里最好选采的参数值，这里最好选采C1=C2,因为这时晶体管的的跨要求最小，管就是最低的功耗。因为这时

15、晶体管的的跨要求最小，管就是最低的功耗。2. 由无源器件的值，估算出阻抗由无源器件的值，估算出阻抗Rp，求出晶体管的大信号的跨，求出晶体管的大信号的跨Gm，考，考虑到设计余量问题，选采晶体管的小信号的跨虑到设计余量问题，选采晶体管的小信号的跨 =5Gm，然后根据偏，然后根据偏置电流确定晶体管的尺寸和过驱动电压。置电流确定晶体管的尺寸和过驱动电压。 当晶体管源极输入一个大信号正弦波当晶体管源极输入一个大信号正弦波3. 将晶体管大信号的跨带入前式，得到将晶体管大信号的跨带入前式，得到 由于由于 因此因此Colpitts振荡器的振荡幅度为振荡器的振荡幅度为2022-4-1029四、晶体振荡器四、晶体

16、振荡器 晶体是一种压电材料，可以在力学应变和电荷之间进行交易转换。这晶体是一种压电材料，可以在力学应变和电荷之间进行交易转换。这种能量交换在一特殊的频率上效率最高，该频率称为谐振频率种能量交换在一特殊的频率上效率最高，该频率称为谐振频率fs。 2022-4-1030晶体振荡器晶体振荡器号晶体的等效电路图中可以看到，晶体同时具有串联与并联谐振电路。号晶体的等效电路图中可以看到，晶体同时具有串联与并联谐振电路。串联谐振与并联谐振电路的阻抗及相位示意图如下串联谐振与并联谐振电路的阻抗及相位示意图如下2022-4-1031晶体振荡器晶体振荡器写出晶体的阻抗表达式1sssL C1(1)sPpssCCL

17、C2022-4-1032晶体振荡器晶体振荡器可以看出晶体在两个谐振频率中间表现为电感，用这个电感和一个具有容性的放大器（正反馈）组成振荡器。2022-4-1033五、压控振荡器五、压控振荡器 许很应用要求振荡器是可调谐的，即它们的振荡频许很应用要求振荡器是可调谐的，即它们的振荡频率是一个控制率是一个控制 输入信号的函数。输入信号的函数。 对于对于LC振荡器来说，谐振频率振荡器来说，谐振频率 频率调谐方法，改变频率调谐方法，改变L或或或或C。集成电路中一般改变。集成电路中一般改变C的值。的值。 使用容抗管：反向使用容抗管：反向pn结、反型区结、反型区MOS管和积累区管和积累区MOS管。管。202

18、2-4-1034压控振荡器压控振荡器Pn结电容：特点：调谐范围较小，但具有较高的品质因子，线性度较高。特点：调谐范围较小，但具有较高的品质因子，线性度较高。2022-4-1035压控振荡器压控振荡器反型区反型区MOS：品质因子较小，：品质因子较小， 电容可变范围较小。电容可变范围较小。耗尽耗尽-积累区积累区MOS容抗管：容抗管：电容可变范围较大电容可变范围较大相对与反向相对与反向pn结，品质因子较小，结，品质因子较小，线性度管较差线性度管较差。2022-4-10362022-4-1037MOS容抗管作调谐元件的LC电压控制振荡器2022-4-1038六、环路振荡器六、环路振荡器 环形振荡器可以采用纯数字环形振荡器可以采用纯数字CMOS工艺实现，不需要电感，广泛使用在单工艺实现，不需要电感，广泛使用在单片集成电路中。片集成电路中。 振荡条件：奇数个反向器构成。振荡条件：奇数个反向器构成。 以三级环型振荡器为例：以三级环型振荡器为例： 每一级的传输函数为每一级的传输