射频电路设计技术第十章

1、10.1 概 述 影响振荡器频率稳定度的因素主要是振荡器频率波动，可用频率漂移（长期稳定度）和随机噪声（短期稳定度）两个物理量来表示：（1）长期频率稳定度（2）短期频率稳定度 在通信系统中，主要考虑信号源（振荡器）的短期稳定度，而研究短期稳定度也就是研究振荡器的相位噪声。 现代微波系统需要稳定、低相位噪声、宽带可调、有足够输出功率与效率的振荡器，这就是设计振荡器必须满足的最为基本的要求。 在振荡器设计中有两个主要的设计目标： (1)用最小的功耗，获得最低的相位噪声； (2)扩大可调频率范围，以提高纠错能力。 振荡器可根据产生振荡的元器件不同分为三种形式： (1)RC正弦波振荡器； (2)LC振

2、荡器； (3)反馈型振荡器。振荡器的一般结构: 10.2 RC正弦波振荡器 振荡器中，RC正弦波振荡器是最基本、最简单的振荡器。其主要特点是： RC串联网络作为选频网络； RC并联网络作为反馈网络。10.3 LC振荡器10.3.1 LC振荡器的平衡条件 既是 的负阻抗和电抗与 的电阻和电抗在幅值上相等、符号相反，则可起振。 从理论上讲，LC振荡器和反馈型振荡器都可以用于振荡器电路的设计与分析。在实际应用LC振荡器的公式时，通常使用线性仿真来获得与频率相关的输入阻抗的实部和虚部。 sL0ZZSZLZ10.3.2 LC振荡器的基本结构及特性 两种应用最普遍的、可产生负阻抗的场效应晶体管（FET）电

3、路结构，分别是： 共源极容性反馈电路； 共栅极感性反馈电路。 一般情况下，回路的等效阻抗为：（1）LC并联电路具有选频特性；在谐振频率处，电路为纯阻性（V与I无相位差），此时阻值最大。在 处，电路呈电感性。在 处，电路呈电容性。（2）谐振时，Q越大 越大，振幅特性曲线越尖锐，在 附近，相频特性变化越快，选频性能越好。（3）谐振时，支路电流近似为总电流的Q倍。通常，Q远大于1，所以谐振时LC并联电路的回路电流比输入电流大得多。 0001j ()ZZffQff0f0ff0ff0Z0ff10.4 反馈型振荡器10.4.1 反馈型振荡器平衡条件 可以将反馈型振荡器分为两类：（1）哈特莱式振荡器；（2）

4、科毕兹振荡器。 在实际的振荡器中，谐振器的选频特性（即选频网络的品质因数），决定了振荡器的输出频率与载波频率附近的噪声性能。 在设计振荡器时还必须注意以下问题：（1）为了获得振荡器的输出频谱，Q倍乘器放大并滤除了电路固有的噪声；（2）为了避免起振问题，必须使放大器的增益比最小增益大很多。最后的增益会随着振荡幅度的增加而降低，最终达到稳定状态，这是由于器件的非线性而引起的。10.4.2 LC三点式振荡器的一般结构 根据LC振荡器的不同结构，可将三点式振荡器分为：（1）科毕兹振荡器是电容反馈三点式振荡器；（1）哈特莱振荡器是电感反馈三点式振荡器。10.5 振荡器中的相位噪声 频率稳定度是指在一定的

5、时间间隔内频率准确度的变化。 频率稳定度是衡量振荡器性能的一个十分重要的指标，频率准确度要靠稳定度来保证。 如前所述，频率稳定度又可以分为长期稳定度和短期稳定度两种。 10.5.1 振荡器元器件的比较 所选的有源器件是否适当，很大程度上决定了振荡器的性能，所以必须明确有源器件的特性及区别。 有源器件在所需频带内能否产生足够的负阻抗或前向增益是很重要的。 基于这两种晶体管的振荡器在载波附近的噪声性能相差2030 dB，在过去，唯一可用于低相位噪声微波振荡器的有源器件是双极型晶体管。现在，许多新型的晶体管已用于低噪声领域，特别是在微波毫米波频段。可见，射频电路的发展与元器件工艺的发展是密不可分的。

6、 10.5.2 相位噪声的频谱特性 在设计振荡器时，为了提高频率稳定度及减少相位噪声，最有效的办法是提高选频回路的Q值。同时，为了减小由于非线性器件的影响，应避免幅度噪声向相位噪声的转换。 振荡器中的相位噪声源主要有两个：（1）闪烁噪声。闪烁噪声（或称为1/fm噪声）是基带噪声，在有源器件中，由于器件的非线性作用而上变频到载波频率。变频增益取决于元器件和工作条件。（2）热噪声。有源器件的热噪声，其频谱平坦且造成了振荡器频谱中特有的 特性。2m1/ f10.5.3 振荡器的噪声分析 对于射频电压或电流的任意扰动（如噪声），若振荡器都能回到平衡点，那么这个负阻抗振荡器则视为稳定的。常用的分析方法是

7、静态振荡器的一次分析处理法。 频率转换过程的一个更通用办法是：通过向支持周期性稳态的非线性电路注入一个确定的小的射频信号，该方法同时可以解决变频问题。若有几个噪声源，那么它们可能存在相关性，因此在计算噪声功率时必须考虑几个噪声的相关因子。 10.5.4 偏置与杂散响应的抑制 在振荡器中的偏置和一般的偏置结构不同，应考虑振荡器的性能要求，从而选择最为合理的偏置结构。 在选择偏置结构时，主要关注的是功率效率、稳定性和易用性。 在设计低噪声振荡器时，需要恰当地控制和选择偏置电路，以避免产生任何不希望的调制信号或噪声。 电源电压和电流的波动也可引起输出功率的波动及频率漂移。最常用的偏置结构是采用一个或

8、两个直流功率。这样选择的目的在于保持了振荡器起振的条件，并且使振荡器的稳定性有较好的控制。 避免杂散振荡的基本准则是：消除振荡所需的幅值和相角条件。实际上，晶体管提供的放大增益应满足设计要求的频率范围，同时，要求其带宽尽量窄。另外，在设计中也应考虑到偏置电感、去耦电容及其他片外元器件的影响。 10.6 压控振荡器 振荡器是接收发射机中重要的器件，在许多应用中也需要含压控振荡器（VCO）的锁相环（PLL）。 在大多数情况下，要求振荡器的频率是可控的，如频率合成器、锁相解调电路等。 当振荡器的频率随外加控制电压的变化而变化时，称为压控振荡器（VCO）。10.6.1 压控振荡器的理论基础 压控振荡器的主要性能指标如下。（1）频率范围（2）线性度（3）压控灵敏度 （4）调制带宽 （5）工作电压 （6）噪声 构成压控振荡器的方法一般有两种： 一种是前面讲述的调谐回路（如LC回路）的振荡器，用改变回路电抗元件值的方法来实现频率控制。 另一种是多谐振振荡器，高频中常用这类振荡器，它通过改变电容充放电电流