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1、会计学1通信通信(tng xn)电子线路电子线路 振荡器振荡器第一页，共41页。08 二月 202351 引言引言(ynyn)根据所产生(chnshng)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第2页/共41页第二页，共41页。08 二月 2023 大多数振荡器的输出频率是要求能调变的，图中的LO振荡器，要求有一个输出频率范围。调变的方法一般(ybn)是将压控可变电抗元件接
2、在振荡器的振荡回路中参与振荡频率的改变，这种振荡器称为压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator，VCO)。其中常用的压控电抗元件是变容二极管。56 压控振荡器压控振荡器(VCO)第3页/共41页第三页，共41页。08 二月 20231、变容(bin rn)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(diny)而变化压控电抗元件 变容二极管符号和特性曲线56 压控振荡器压控振荡器(VCO)5 56 61 1 变容二极管变容二极管变容二极管变容二极管VCOVCO第4页/共41页第四页，共41页。08 二月 2023变容二极管的结电容与控制(kngzh)
3、电压的关系为 n：变容指数，其值随半导体掺杂(chn z)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。56 压控振荡器压控振荡器(VCO)5 56 61 1变容二极管变容二极管变容二极管变容二极管VCOVCO1、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第5页/共41页第五页，共41页。08 二月 202356 压控振压控振荡器荡器(VCO)561变变容容(bin rn)二极二极管管VCO2、变容(bin rn)二极管第6页/共41页第六页，共4
4、1页。08 二月 2023 此回路振荡频率：56 压控振荡器压控振荡器(VCO)561变容变容(bin rn)二极管二极管VCO2、变容(bin rn)二极管第7页/共41页第七页，共41页。08 二月 2023 为了提高VCO的输出频率(pnl)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(jioli)通路VCXO实用电路 56 压控振荡器压控振荡器(VCO)5 56 62 2晶体压控振荡器晶体压控振荡器晶体压控振荡器晶体压控振荡器VCXOVCXO第8页/共41页第八页，共41页。08 二月 2023 VCXO的缺点是频率调变范围很窄，这是由于(yuy)晶
5、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(yn wi)CqCo，所以(fp-fs)就很窄。56 压控振荡器压控振荡器(VCO)5 56 62 2晶体压控振荡器晶体压控振荡器晶体压控振荡器晶体压控振荡器VCXOVCXO第9页/共41页第九页，共41页。08 二月 2023 例如(lr)：5MHzIA0晶体，Cq=0.013pF，Co=5pF，20MHz的B04晶体(jngt)，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
6、晶体制作工艺中设法加宽晶体的感性区范围。56 压控振荡器压控振荡器(VCO)5 56 62 2晶体压控振荡器晶体压控振荡器晶体压控振荡器晶体压控振荡器VCXOVCXO第10页/共41页第十页，共41页。08 二月 2023 为增大VCXO输出频率的调控范围，可在晶体支路中串联或并联一个(y)适当数值的电感L。适当选取(xunq)L数值就可以抵消晶体极片电容Co的容抗，使晶体的fp增大，从而可使VCXO的频率调控范围增大。56 压控振荡器压控振荡器(VCO)5 56 62 2晶体压控振荡器晶体压控振荡器晶体压控振荡器晶体压控振荡器VCXOVCXO第11页/共41页第十一页，共41页。08 二月
7、2023 VCO的主要性能指标:压控灵敏度Ko、相位(xingwi)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(zhndng)频率的调控增量，用Ko表示，单位Hz/V。56 压控振荡器压控振荡器(VCO)5 56 63 VCO3 VCO的主要技术指标的主要技术指标的主要技术指标的主要技术指标 第12页/共41页第十二页，共41页。08 二月 202356 压控振荡器压控振荡器(VCO)563 VCO的主要的主要(zhyo)技术指标技术指标 图中显示这一压控特性为一条(y tio)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第13页/
8、共41页第十三页，共41页。08 二月 2023 相位噪声低，是VCO的很重要的质量指标，因为它将直接(zhji)影响通信机本振输出的相位噪声。对fC=100MHz的VCXO，在f=10KHz处，相对噪声功率(gngl)可达到-130dBC/Hz。56 压控振荡器压控振荡器(VCO)5 56 63 VCO3 VCO的主要技术指标的主要技术指标的主要技术指标的主要技术指标 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。第14页/共41页第十四页，共41页。08 二月 2023 谐振振荡器三点式振荡器(Coplitts电路和
9、Hartley电路)，它们都有一个高Q的LC回路(hul)，可以产生频谱纯度高、相位噪声性能好的正弦波。多谐振荡器通过对储能元件充放电工作产生输出波形(b xn)的，几乎不需要外接元件，在高频全集成PLL中得到广泛应用。由于缺少高Q滤波回路，输出波形(b xn)频谱纯度差。57 集成振荡器集成振荡器集成振荡器按输出波形分集成正弦振荡器(集成谐振振荡器)集成非正弦振荡器(集成多谐振荡器)(又称张弛振荡器)第15页/共41页第十五页，共41页。08 二月 2023 1、积分(jfn)施密特型集成压控多谐振荡器积分(jfn)施密特压控多谐振荡器原理57 集成振荡器集成振荡器 5 57 71 1 集成
10、压控多谐振荡器集成压控多谐振荡器集成压控多谐振荡器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第16页/共41页第十六页，共41页。08 二月 2023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(sd)。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(diny)关系,并考虑到以恒流Io充放电,有:振荡频率:57 集成振荡器集成振荡器 5 57 71 1 集成压控多谐振荡
11、器集成压控多谐振荡器集成压控多谐振荡器集成压控多谐振荡器第17页/共41页第十七页，共41页。08 二月 2023若可控恒流源Io与控制电压(diny)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(jish)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57 集成振荡器集成振荡器 5 57 71 1 集成压控多谐振荡器集成压控多谐振荡器集成压控多谐振荡器集成压控多谐振荡器第18页/共41页第十八页，共41页。08 二月 2023
12、57 集成集成(j chn)振荡器振荡器 571 集成集成(j chn)压控多谐振荡器压控多谐振荡器Rt输出(shch)振荡频率：Ct第19页/共41页第十九页，共41页。08 二月 202357 集成集成(j chn)振荡器振荡器 571 集成集成(j chn)压控多谐振荡器压控多谐振荡器 频率稳定度高,频率调节范围宽。在0.01Hz1MHz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(jyu)FM、FSK等调制功能。第20页/共41页第二十页，共41页。08 二月 20232、射极耦合型集成(j chn
13、)压控多谐振荡器射极耦合压控多谐振荡器原理图 57 集成集成(j chn)振荡器振荡器 571 集成集成(j chn)压控多谐振荡器压控多谐振荡器振荡频率:具有良好的线性压控特性 第21页/共41页第二十一页，共41页。08 二月 2023设充放恒流Io与控制(kngzh)电压uC的关系为Io=gmuCKo为压控灵敏度：57 集成集成(j chn)振荡器振荡器 571 集成集成(j chn)压控多谐振荡器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。第22页/共41页第二十二页，共41页。08 二月 2023 MC1658的内电路图工作(gng
14、zu)最高频率为155MHz。uC=-2-0.2V时,fo=35MHz150MHz。57 集成集成(j chn)振荡器振荡器 571 集成集成(j chn)压控多谐振荡器压控多谐振荡器第23页/共41页第二十三页，共41页。08 二月 2023 集成电路LC振荡器由正反馈放大器和LC谐振回路(hul)两部分组成，常用的电路结构为差分对管LC振荡电路。差分(ch fn)对管LC振荡电路 57 集成振荡器集成振荡器 5 57 72 2 集成电路集成电路集成电路集成电路LCLC振荡器振荡器振荡器振荡器振荡输出频率和幅度将很稳定 第24页/共41页第二十四页，共41页。08 二月 2023MC1648
15、内电路和外型 57 集成集成(j chn)振荡器振荡器 572 集成集成(j chn)电路电路LC振荡器振荡器第25页/共41页第二十五页，共41页。08 二月 2023图576 MC1648内电路和外型 57 集成集成(j chn)振荡器振荡器 572 集成集成(j chn)电路电路LC振荡器振荡器第26页/共41页第二十六页，共41页。08 二月 2023MOS集成(j chn)振荡电路 57 集成集成(j chn)振荡器振荡器 573 MOS LC集成集成(j chn)振荡器振荡器 MOS场效应管是一种载流子工作的单极型晶体管，它的主要噪声来源是沟道噪声。在1GHz以上的高频段是一种令人
16、满意的低噪声器件,高频集成振荡器都采用MOSFET作振荡管，并采用MOS工艺集成。第27页/共41页第二十七页，共41页。08 二月 2023图578 MOS集成(j chn)VCO图579 单电感(din n)MOS集成振荡器 57 集成振荡集成振荡器器 5 57 73 3 MOS LCMOS LC集成振荡器集成振荡器集成振荡器集成振荡器第28页/共41页第二十八页，共41页。08 二月 2023 集成MOS LC振荡器具有良好的相位(xingwi)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(pnl)调变受变容管限制，频率(pnl)变化范围较窄，一般为中心频率(p
17、nl)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。57 集成振荡集成振荡器器 5 57 74 4 集成环形集成环形集成环形集成环形VCOVCO第29页/共41页第二十九页，共41页。08 二月 2023 环形VCO由多个放大器首尾连接组成(z chn)一个环形:集成(j chn)环形VCO 这种环形VCO在MOS集成工艺中易于片上
18、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。57 集成振荡集成振荡器器 5 57 74 4 集成环形集成环形集成环形集成环形VCOVCO第30页/共41页第三十页，共41页。08 二月 2023环形(hun xn)VCO中的两种增益级 57 集成集成(j chn)振荡器振荡器 574 集成集成(j chn)环形环形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.第31页/共41页第三十一页，共41页。08 二月 2023 MOS差分放大器输出差值电流(dinli)可表示为:
19、57 集成集成(j chn)振荡器振荡器 574 集成集成(j chn)环形环形VCO MOS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。第32页/共41页第三十二页，共41页。08 二月 2023 若设MOS差分(ch fn)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：CdsMOSFET的沟道等效(dn xio)电容,n N型半导体自由电子的迁移率，COXMOSFET的栅区电容，W/lMO
20、SFET的沟道宽长比 57 集成振荡集成振荡器器 5 57 74 4 集成环形集成环形集成环形集成环形VCOVCO第33页/共41页第三十三页，共41页。08 二月 2023 当有n级MOS差放构成的环形VCO时，在完成(wn chng)环形一周的总延迟时间为环形(hun xn)VCO的工作频率fosc:57 集成振荡集成振荡器器 5 57 74 4 集成环形集成环形集成环形集成环形VCOVCO压控灵敏度Ko:第34页/共41页第三十四页，共41页。08 二月 2023图5712六级结构(jigu)的环形VCO 根据振荡器的Barkhausen准则，在振荡总相移为2n、环路增益等于(dngy)
21、1的频率上，级数每减少一级，各级所需的相移就需要增加。57 集成振荡集成振荡器器 5 57 74 4 集成环形集成环形集成环形集成环形VCOVCO第35页/共41页第三十五页，共41页。08 二月 2023 下图为该环形VCO的输出(shch)波形，图中输出(shch)I/Q信号的峰峰值为620mV。图5713 环形VCO的输出I/Q信号(xnho)波形57 集成振荡器集成振荡器 5 57 74 4 集成环形集成环形集成环形集成环形VCOVCO第36页/共41页第三十六页，共41页。08 二月 2023 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
22、，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/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(bx)采用正交网络将它转换成I/Q信号。57 集成集成(j chn)振荡器振荡器 575 正交正交I/Q信号的产生信号的产生第37页/共41页第三十七页，共41页。08 二月 2023对RC网络(wnglu)，uo1与ui的相位差为 -arctan(RC)对CR网络，uo2与ui的相位差为-arctan(RC)uo1与uo2的相位差：-arctan(RC)-arctan(RC)=57 集成集成(j chn)振荡器振
23、荡器 575 正交正交I/Q信号的产生信号的产生 常用的正交转换网络为RC-CR网络。第38页/共41页第三十八页，共41页。08 二月 2023 设计RC-CR网络时，要求两路的电阻R和电容C严格对称(duchn)，即要求相等。若两路RC有1的误差，将会使u01、u02产生0.6左右的相位失衡(即相位差偏离/2有0.6左右)。57 集成集成(j chn)振荡器振荡器 575 正交正交I/Q信号的产生信号的产生第39页/共41页第三十九页，共41页。结束(jish)谢谢(xi xie)!第5章 振荡器第40页/共41页第四十页，共41页。08 二月 2023感谢您的观看(gunkn)！第41页/共41页第四十一页，共41页。