射频通信电路第七章-振荡器(LC振荡)7-2课件.ppt

1、7.2 LC 振荡器振荡器7.2.1 构成构成 LC 振荡器的振荡器的两个注意点两个注意点LC谐振回路谐振回路（1）反馈电压的提取反馈电压的提取必须必须保证正反馈保证正反馈晶体管放大器晶体管放大器构成反馈型振荡器的三个部分构成反馈型振荡器的三个部分反馈网络反馈网络选频网络选频网络共基共基放大器放大器共基共基同相同相放大器放大器1mggsCmebg vebcmg实数实数LC回路谐振回路谐振纯电阻纯电阻正反馈正反馈共射共射放大器放大器rgsCm beg vbec+_ _共射共射反相反相放大器放大器mg实数实数LC回路谐振回路谐振纯电阻纯电阻负反馈负反馈必须注意必须注意反馈电压提取，以保证正反馈反馈

2、电压提取，以保证正反馈思考题思考题：该闭合环路是正反馈该闭合环路是正反馈还是负反馈还是负反馈？（2）对对 LC 回路回路 Q 值的影响值的影响保证选频回路保证选频回路Q值高值高的的必要性必要性提高提高频率稳定度频率稳定度iRriRr反馈支路将晶体管反馈支路将晶体管放大器的放大器的输入阻抗输入阻抗直接并联直接并联在在回路两端回路两端问题：降低了回路问题：降低了回路Q解决方法解决方法：阻抗变换阻抗变换后接入回路后接入回路阻抗变换方法阻抗变换方法 变压器变压器 互感互感耦合耦合LC振荡器振荡器 部分接入部分接入 三点式三点式LC振荡器振荡器7.2.2 互感互感 LC 振荡器振荡器电路构成特点：电路构

3、成特点：用变压器进行阻抗变换，以用变压器进行阻抗变换，以保证高保证高Q 注意变压器同名端，以注意变压器同名端，以保证正反馈保证正反馈 共基共基组态组态变压器变压器同名端同名端振荡频率振荡频率01oscLC共射共射组态组态变压器变压器同名端同名端阻抗变换阻抗变换212()iiNRRN12()NN添加添加直流偏置直流偏置 NPN管，为管，为保证工作于放大区保证工作于放大区，集电极直流电位最高，集电极直流电位最高，基极次之，发射极最低。基极次之，发射极最低。线圈直流线圈直流短路短路，电容直流，电容直流开路开路，电源是，电源是交流地交流地。采用基极电阻采用基极电阻 、分压偏置分压偏置，直流负反馈直流负

4、反馈。1bR2bRER 大电容大电容实现实现交流短路交流短路和和隔直流隔直流思路：思路：7.2.3 三点式三点式振荡器振荡器电路构成特点：电路构成特点：用用电抗部分接入电抗部分接入进行阻抗变换，以进行阻抗变换，以保证高保证高Q 注意注意电抗元件的放置电抗元件的放置，以保证，以保证正反馈正反馈电抗元件电抗元件部分接入部分接入进行进行阻抗变换形式：阻抗变换形式：电容部分接入电容部分接入2cRRP 112cCPCC电感部分接入电感部分接入2LRRP 212LLPLL共基组态共基组态同相同相放大器放大器回路谐振回路谐振纯电阻纯电阻振荡频率振荡频率12121oscC CLCC121()oscC LL振荡

5、频率振荡频率共基共基组态组态三点式特征三点式特征：反馈电压取自相反馈电压取自相同电抗元件同电抗元件 阻抗变换：阻抗变换：2iRRP 1/iEmRRg电容电容 相同性质电抗相同性质电抗反馈电压与输入反馈电压与输入同相同相1C2C共射共射组态组态三点式三点式分析分析iVoVFVFIiVFIoVFV从从相同电抗相同电抗元件元件抽头抽头反馈反馈从从不同电抗不同电抗元件元件抽头抽头反馈反馈问题：问题：应如何放置电抗元件？应如何放置电抗元件？反相反相负负反馈反馈同相同相正正反馈反馈L1L21.推导推导构成构成三点式三点式振荡器的振荡器的一般规则一般规则晶体管和三个晶体管和三个纯电抗纯电抗元件元件 构成振荡

6、器构成振荡器 321XXX推导：推导：满足正反馈满足正反馈条件时，条件时，三个电抗三个电抗元件元件 如何放置如何放置？解：解：代入晶体管等效电路，在代入晶体管等效电路，在 X 断开，断开，忽略忽略晶体管极间电容、跨导的相移晶体管极间电容、跨导的相移以及晶体管输入阻抗对回路的影响以及晶体管输入阻抗对回路的影响由于振荡频率为由于振荡频率为回路中心频率回路中心频率，所以，所以iPmoVRgV 0321XXXPR是回路是回路谐振阻抗谐振阻抗，且，且结论结论：为保证为保证 与与 同相，同相，电抗电抗 与与 必须同性质必须同性质 FViV1X2XiPmoFVXXRgXXXVV12232则：则：构成构成三点

7、式三点式振荡器的振荡器的一般规则一般规则与发射极相联与发射极相联的的两个电抗两个电抗元件必须元件必须同性质同性质，而而另一个电抗另一个电抗元件为元件为异性异性。共射共射组态组态共基共基组态组态电容三点式电容三点式 LC振荡器振荡器电感三点式电感三点式 LC振荡器振荡器2.三点式振荡器三点式振荡器性能分析性能分析计算计算环路增益环路增益、分析为满足起振条件、分析为满足起振条件对电路参数的要求对电路参数的要求（1）分析）分析直流偏置直流偏置（2）画）画交流通路图交流通路图原则：原则：直流电源交流地直流电源交流地大电容交流短路大电容交流短路NPN管，电源管，电源 为正，为正，CCV偏置电阻偏置电阻

8、、，1bR2bRERLRBC交流旁路、交流旁路、隔直流。隔直流。CC负载负载（3）代入晶体管）代入晶体管交流小信号交流小信号等效电路等效电路（5）计算）计算振荡频率振荡频率 振荡频率振荡频率根据根据相位平衡相位平衡 条件得出（略）条件得出（略）振荡频率振荡频率近似近似等于等于 回路中心频率回路中心频率21211CCCCLoebCCC22其中其中RP 是回路空载是回路空载Q0 引入的等效电阻引入的等效电阻（4）将环路）将环路在在 X 断开断开并考虑输入阻抗的影响并考虑输入阻抗的影响（6）分析）分析振幅起振振幅起振条件条件T AF 1 计算计算放大器负载放大器负载输入输入电导电导meEeigrRr

9、g111回路回路接入系数接入系数211CCCPeb等效输入等效输入电导电导 （设部分接入支路为高（设部分接入支路为高Q）iiebigCCCgPg22112)(PLLRRg11放大器放大器负载电导负载电导iebLiLLgPgggg2 其中其中 计算计算放大器增益放大器增益21omebmebLebLebiVg VgAVgVgP g 计算计算反馈系数反馈系数112FeboVCFPVCC 计算计算环路增益环路增益 TebiebLmoscPgPggAFT2)(满足起振条件满足起振条件1矛盾：矛盾：由于由于 ，不能太大不能太大imggmg2iebigPg 反馈系数反馈系数 F 太大太大由于由于 使增益减小

10、使增益减小增大接入系数，增大接入系数，使回路使回路Q降低降低合理选择工作点合理选择工作点合理选择反馈系数合理选择反馈系数起振条件起振条件对电路参数的要求对电路参数的要求:提高提高 增益增益Amg增大增大减小减小 iLgg增大反馈系数增大反馈系数 ebFP3.实际考虑实际考虑 考虑考虑晶体管各参数晶体管各参数及及回路损耗回路损耗的影响的影响并按照相位平衡条件计算振荡频率并按照相位平衡条件计算振荡频率（证明见课本）（证明见课本）1212C CCCC01LC回路回路总电容总电容回路回路中心频率中心频率212002111CCggCCggLCLiLiosc振荡频率振荡频率由于由于LiggCC2120LC

11、osc10振荡频率振荡频率近似等于近似等于回路中心频率回路中心频率例例7.2.17.2.1：设计设计图示的图示的考毕兹振荡器考毕兹振荡器。21CC MHz500fLR1ER取回路取回路电容电容 ，回路的固有，回路的固有谐振频率谐振频率：，k，0ebC301200ebr已知：已知：晶体管晶体管在在共射共射状态时的状态时的参数参数为为1000Q线圈线圈电感电感L=0.1 H，空载品质因数空载品质因数 求：求：（1 1）振荡器的振荡频率振荡器的振荡频率 。（2 2）为保证顺利起振。回路的为保证顺利起振。回路的 不能低于多少？不能低于多少？osc0Q由由ebmrg025.0120030ebmrgS共基

12、输入电阻共基输入电阻40025.011megrEeRr 因为因为 ，所以放大器输入电导，所以放大器输入电导SgrRrgmeEei025.0111解解：（1）用公式）用公式 求振荡频率。求振荡频率。121iLoscg gLCC C首先计算共基等效电路参数首先计算共基等效电路参数:LC回路的回路的谐振阻抗谐振阻抗为为000663250 100.1 101003.14 10PRQL Q振荡频率振荡频率为为212001CCggiLosc代入数据代入数据00001.1osc41018.3111PPLLRRRg由于由于LR负载电导负载电导为为由已知条件求得由已知条件求得回路总电容回路总电容 PFLC100

13、101.0)10502(1162620由于由于 ，所以，所以 21CC PFCC20021(因为因为 ）0b eC（2）由由振幅起振条件振幅起振条件分析回路分析回路0Q振荡器起振的振荡器起振的振幅条件振幅条件应满足：应满足：1)(2ebiebLmoscPgPggTLiebmebggPgP2111LLPPgRRR由于由于 ，对应并联谐振回路的，对应并联谐振回路的最低谐振阻抗最低谐振阻抗为为 1601maxminLPgR因此，因此，为保证振幅起振为保证振幅起振条件，条件，LC 回路的回路的最小空载最小空载 Q为为：1.50minmin0LRQP已知已知 ，所以，所以 21CC 21ebP代入数据代

14、入数据 和和 ，可求得：，可求得：满足满足振幅起振条件振幅起振条件的最大的的最大的Lg00625.0maxLg Smgig4.改进型改进型电容三点式振荡器电容三点式振荡器考虑考虑极间电容极间电容后后beCceC11ceCCC 22beCCC 振荡频率为振荡频率为:121211oscLCC CLCC 121211oscLCC CLCC为为提高提高振荡频率，必须振荡频率，必须减小减小1C2C问题：问题：减小减小 ，必然扩大了极间电容对振荡频率的影响，必然扩大了极间电容对振荡频率的影响 使使频率稳定性频率稳定性变差变差1C2C改进型电容三点式典型电路改进型电容三点式典型电路克拉泼克拉泼振荡器振荡器电

15、路分析电路分析：高频扼流圈高频扼流圈 RFCNPN管，电源管，电源 为正，为正，CCV直流偏置直流偏置 、，负载负载1bR2bRERLR旁路电容旁路电容 BC 选频回路选频回路123CCC、L3C改进点改进点回路中回路中串一小电容串一小电容 ,（、）3C1C3C2C交流通路图交流通路图回路回路总电容总电容1233/CCCCC振荡频率振荡频率311LCLCosc改进型改进型电容三点式振荡器的电容三点式振荡器的优点优点回路总电容为回路总电容为三电容串联，三电容串联，振荡频率振荡频率取决于小电容取决于小电容3C 提高提高振荡频率振荡频率 减小减小极间电容影响，极间电容影响，提高提高频率稳定性频率稳定

16、性用用增大电容增大电容 、来减小极间电容的影响，来减小极间电容的影响，但并不降低但并不降低振荡频率振荡频率1C2C为提高频率而一味减小为提高频率而一味减小 ，会出现什么，会出现什么问题？问题？3C最后最后 停振停振回路的回路的总的谐振阻抗总的谐振阻抗（在电感两端）（在电感两端）LPPRRR/共基放大器共基放大器 cb 端的负载端的负载为：为：PPRCCCR 23123)(晶体管晶体管 cb 对回路对回路的的接入系数接入系数是是 3123CCCPcb212112CCCCC（其中（其中 ）减小减小接入系数接入系数 减小减小 负载负载 减小减小3CcbPPR放大器的放大器的增益增益 减小减小 环路增

17、益环路增益 T 减小减小mPAg R克拉泼克拉泼电路电路改进改进西勒电路西勒电路目的目的:有效的调整频率，有效的调整频率，而不影响环路增益，而不影响环路增益，防止停振防止停振电路特点电路特点：在电感在电感 L 的两端的两端并联并联一个一个电容电容 4C回路的回路的总电容总电容为为 34CCC)(1143CCLLCosc振荡频率：振荡频率：调整频率调整频率方法：调整方法：调整4C优点：优点：调整调整 时，时，不改变不改变共基放大器输出端的共基放大器输出端的接入系数接入系数 4C7.2.4 负阻负阻 LC 振荡器振荡器 思路：思路：采用采用有源阻抗变换有源阻抗变换电路构成振荡器电路构成振荡器（1）

18、交流通路图）交流通路图Q1 共基共基放大器，放大器，Q2射极跟随器射极跟随器阻抗变换阻抗变换正反馈正反馈（2）添加直流电源）添加直流电源电路变形电路变形负阻负阻LC振荡器结构特点：振荡器结构特点：LC并联回路（品质因数并联回路（品质因数Q0）交叉耦合的晶体管交叉耦合的晶体管Q1 Q2 构成正反馈构成正反馈12L12L2C2CAB电路分析电路分析inR1.分析单端口电路分析单端口电路 Q1 Q2 的的输入阻抗输入阻抗inR 对称对称点点M是交流地是交流地 代入晶体管交流小信号等效电路代入晶体管交流小信号等效电路21beceVV12beceVVA、B两点的电压幅度对称相等两点的电压幅度对称相等、1

19、2ceceVV AM间电导间电导2211111bembecebemrgrvvgG电流源电流源增大时增大时，是是减少的减少的 1cev2121m bembeg rGgr 1)m b eg r（inR同理，同理，BM间电导间电导2mGg 端口端口AB 的输入电导：的输入电导：2G1G串连串连mingR2负电导负电导 提供能量提供能量12L12L2C2CAB振荡条件：振荡条件：振荡频率振荡频率回路谐振频率回路谐振频率原因：原因：负阻提供的能量补充了负阻提供的能量补充了 并联谐振回路的损耗并联谐振回路的损耗负阻负阻 回路谐振电阻回路谐振电阻inR相等相等PR3M4M1M2M为为振荡管振荡管，镜象电流源

20、，镜象电流源 、提供提供直流偏置直流偏置、集成集成场效应管场效应管负阻负阻型型 LC 振荡器电路振荡器电路 回路回路电容电容（漏极极间电容等）（漏极极间电容等）回路回路电感电感：nHLLL4.621pFC2.1谐振频率谐振频率GHZLCfo8.121LC回路的回路的串联损耗串联损耗电阻电阻15r并联回路的并联回路的谐振电导谐振电导 mSCrQGP3)(120因此，因此，需提供的总需提供的总负电导负电导应为应为:21MMPmmGgG22 36mgms每只每只管子的跨导管子的跨导6mgms起振起振电路优点：电路优点：电源电压低电源电压低 1,3,minMGSMDSsatDDVVV功耗极小功耗极小

21、参数参数 测量数值测量数值 振荡频率振荡频率 1.8GHz 调谐范围调谐范围 14%电源电压电源电压 1.5V 功耗功耗 6mW 相位噪声相位噪声 600KHz -116dBc/Hz振荡频率可调振荡频率可调 改变改变VC改变了二极管改变了二极管 D1、D2的等效电容的等效电容LC 振荡器振荡器小结小结：1.常用的常用的三种形式：三种形式：互感耦合互感耦合 LC 振荡器振荡器三点式三点式 LC 振荡器振荡器负阻负阻 LC 振荡器型振荡器型2.构成构成三点式三点式振荡器的振荡器的基本原则是：基本原则是：与发射极（源极）相联的两个电抗性质相同，第三个电抗与发射极（源极）相联的两个电抗性质相同，第三个电抗 为相反性质。为相反性质。3LC振荡器起振时振荡器起振时环路增益的计算环路增益的计算与小与小信号放大器信号放大器 的分析完全相同的分析完全相同。4 4若晶体管和反馈网络引起的相移可以忽略若晶体管和反馈网络引起的相移可以忽略，则则振荡器的振荡器的 振荡频率振荡频率近似等于近似等于 LC 回路的中心频率回路的中心频率。