通信电子线路 第5章 振荡器课件

《通信电子线路》

(第2版)顾宝良编著5．1引言*5．2反馈振荡器的工作原理*5．3LC正弦波振荡器*5．4振荡器的频率稳定度*5．5晶体振荡器5．6压控振荡器(VCO)5．7 集成振荡器 5．1引言根据所产生的波形又可以分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器；根据输出选频网络的不同，又可分为LC振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等等。介绍压控振荡器、集成振荡器以及正交信号的产生。正弦波振荡器广泛用于通信和各种电子设备中，对振荡器提出的主要要求是振荡频率、振荡频率的准确性和稳定性1、变容二极管的压控特性变容二极管是利用PN结的结电容随反向电压而变化——压控电抗元件

变容二极管符号和特性曲线 5．6压控振荡器(VCO)

5．6．1 变容二极管VCO变容二极管的结电容与控制电压的关系为n：变容指数，其值随半导体掺杂浓度和PN结的结构、工艺不同而不同；Co：外加反向电压uC=0时的结电容值。UD

：PN结的内建电位差，硅：UD=0.7V，锗：UD=0.3V左右

uC：变容二极管所加反向偏压的绝对值。 5．6压控振荡器(VCO)

5．6．1 变容二极管VCO1、变容二极管的压控特性变容二极管必须处于反偏工作状态 5．6压控振荡器(VCO)

5．6．1 变容二极管VCO2、变容二极管为了提高VCO的输出频率稳定度，可采用由变容二极管作为压控元件的晶体压控振荡器VCXO。VCXO振荡交流通路VCXO实用电路 5．6压控振荡器(VCO)

5．6．2 晶体压控振荡器VCXOVCXO的缺点是频率调变范围很窄，这是由于晶体电抗特性中的等效感性区很窄的原因。晶体的等效感性区频率范围(fp-fs)为fs的Cq/2C倍。因为Cq<<Co，所以(fp-fs)就很窄。。 5．6压控振荡器(VCO)

5．6．2 晶体压控振荡器VCXO例如：5MHzIA0晶体，Cq=0.013pF，Co=5pF，

20MHz的B04晶体，Cq=0.0001pF，Co=5pF，

5MHz的IA0晶体感性区要比20MHz的B04晶体感性区宽得多。因此，在设计VCXO时，可以选用感性区相对较宽的晶体，或在晶体制作工艺中设法加宽晶体的感性区范围。 5．6压控振荡器(VCO)

5．6．2 晶体压控振荡器VCXO

VCO的主要性能指标:压控灵敏度Ko、相位噪声、频率调控范围等。

压控灵敏度定义为单位控制电压引起VCO振荡频率的调控增量，用Ko表示，单位Hz/V。 5．6压控振荡器(VCO)

5．6．3VCO的主要技术指标

5．6压控振荡器(VCO)

5．6．3VCO的主要技术指标图中显示这一压控特性为一条非线性曲线，在VCO中心频率fo处的一定范围内线性较好，而在频率的高端和低端线性很差

相位噪声低，是VCO的很重要的质量指标，因为它将直接影响通信机本振输出的相位噪声。对fC=100MHz的VCXO，在Δf=10KHz处，相对噪声功率可达到-130dBC/Hz。 5．6压控振荡器(VCO)

5．6．3VCO的主要技术指标设计VCO时，必须选用低噪声放大器和高Q的LC回路。由于VCXO中的晶体等效为高Q电感。因此VCXO必然是低噪声VCO。

1、积分——施密特型集成压控多谐振荡器积分——施密特压控多谐振荡器原理 5．7集成振荡器

5．7．1集成压控多谐振荡器施密特触发器受输入触发电平UH、UL的控制,输出占空比为50%的方波uo,uo又将控制开关管T的导通与截止。施密特触发器的传输跳变翻转特性积分电容Ct以恒流Io充电,uA为对称的三角波电压,uo为占空比50%的方波电压。三角波和方波的重复频率取决于uA上升和下降的速度。控制电压uC可调节恒流Io,构成了压控多谐振荡器。根据电容Ct上电流与电压关系,并考虑到以恒流Io充放电,有:

振荡频率: 5．7集成振荡器

5．7．1集成压控多谐振荡器若可控恒流源Io与控制电压uC的关系为Io=gmuC，得压控多谐振荡器的压控灵敏度Ko为:gm为可控恒流源的跨导集成压控多谐振荡器设计好后，gm和(UH-UL)为定值。Ct确定后，Ko也就是为定值。f=KouC是一线性压控特性。积分－施密特型集成压控多谐振荡器具有良好的线性压控特性 5．7集成振荡器

5．7．1集成压控多谐振荡器 5．7集成振荡器

5．7．1集成压控多谐振荡器频率稳定度高,频率调节范围宽。在0.01Hz~1MHz间同时输出三角波和方波,占空比可以在0.1%~99.9%之间调节。当外加控制电压时,线性扫频范围大约为1000:1。应用于锁相环,具有FM、FSK等调制功能。2、射极耦合型集成压控多谐振荡器射极耦合压控多谐振荡器原理图5．7集成振荡器

5．7．1集成压控多谐振荡器振荡频率:具有良好的线性压控特性设充放恒流Io与控制电压uC的关系为Io=gmuCKo为压控灵敏度： 5．7集成振荡器

5．7．1集成压控多谐振荡器振荡频率:Io——充电电流Ct——外接定时电容容量UD(on)——二极管D1、D2的导通压降。

集成电路LC振荡器由正反馈放大器和LC谐振回路两部分组成，常用的电路结构为差分对管LC振荡电路。差分对管LC振荡电路 5．7集成振荡器

5．7．2集成电路LC振荡器振荡输出频率和幅度将很稳定MC1648内电路和外型 5．7集成振荡器

5．7．2集成电路LC振荡器图5．7．6 MC1648内电路和外型 5．7集成振荡器

5．7．2集成电路LC振荡器图5．7．8MOS集成VCO图5．7．9单电感MOS集成振荡器 5．7集成振荡器

5．7．3MOSLC集成振荡器

集成MOSLC振荡器具有良好的相位噪声性能和较低的功耗，但存在一些难以克服的缺点。

首先，LC振荡器的频率调变受变容管限制，频率变化范围较窄，一般为中心频率的10%~20%。

其次，LC振荡器的低噪声性能往往是靠高Q的LC回路获得的，CMOS工艺在片上集成电感，要想取得较高Q值的电感比较困难，必须增加额外的工艺步骤。再有，片上集成电感会占用大量的芯片面积，这是集成电路在费用成本上所不希望的。因此，近年来出现了又一种不需LC这类无源谐振器的环形振荡器，即集成环形VCO。 5．7集成振荡器

5．7．4集成环形VCO

环形VCO由多个放大器首尾连接组成一个环形:集成环形VCO这种环形VCO在MOS集成工艺中易于片上集成，无需额外增加工艺步骤，占用芯片面积小，集成度高，成本低等优点。环形VCO中的每个增益级，即放大器可以有多种单元电路实现。 5．7集成振荡器

5．7．4集成环形VCO环形VCO中的两种增益级 5．7集成振荡器

5．7．4集成环形VCO传统CMOS反相器,由它构成环形VCO时级数必须是奇数,振荡输出波形一般为方波.

MOS差分放大器输出差值电流可表示为: 5．7集成振荡器

5．7．4集成环形VCOMOS差放由于线性范围宽,工作时不会进入深饱和和截止区,较少了电荷存储时间,工作频率可以做高,频率线性可调范围可以做宽。而且构成环形振荡器后,可得到较好的正弦波输出。若设MOS差分放大器从线性区到饱和区的时间为tdf(或称充电时间)，而从饱和回到线性的时间为tdr(或称放电时间)，则每个MOS差放的充放电时间为：

Cds——MOSFET的沟道等效电容,μn

——N型半导体自由电子的迁移率，COX——MOSFET的栅区电容，W/l——MOSFET的沟道宽长比

5．7集成振荡器

5．7．4集成环形VCO当有n级MOS差放构成的环形VCO时，在完成环形一周的总延迟时间为环形VCO的工作频率fosc: 5．7集成振荡器

5．7．4集成环形VCO压控灵敏度Ko:图5．7．12 六级结构的环形VCO根据振荡器的Barkhausen准则，在振荡总相移为2nπ、环路增益等于1的频率上，级数每减少一级，各级所需的相移就需要增加。 5．7集成振荡器

5．7．4集成环形VCO下图为该环形VCO的输出波形，图中输出I/Q信号的峰峰值为620mV。图5．7．13 环形VCO的输出I/Q信号波形5．7集成振荡器

5．7．4集成环形VCO在数字通信系统中，接收通道和发射通道都需要正交的I/Q本振信号。对于具有偶数级的环形VCO，可以很方便地输出I/Q本振信号。如六级MOS差放环形VCO，第3级和第6级的输出信号相位差为π/2，即就是I/Q本振输出。对于前面所介绍的VCO，由于输出为单一的正弦信号，因此必须采用正交网络将它转换成I/Q信号。 5．7集成振荡器

5．7．5正交I/Q信号的产生对RC网络，uo1与ui的相位差为-arctan(ωRC)

对CR网络，uo2与ui的相位差为[-arctan(ωRC)]

uo1与uo2的相位差：-arctan(ωRC)]-[-arct