《电路与电子线路基础(电子线路部分)11章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电路与电子线路基础(电子线路部分)11章（86页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,1,电路与电子线路（下） Electric and Electronic Circuits 第11章 振荡器,王志功 zgwang 东南大学射频与光电集成电路研究所 ,2,引言,1 振荡器是一种能够在直流电源作用下产生周期性变化输出信号的电路。 2 振荡器通常是通信中发射机和接收机的重要组成单元，也是计算机和众多电子仪器设备的核心组成部分。 3 有两大振荡器电路类型:正反馈回路型和负阻型。,3,正反馈回路型振荡器原理,当 若 则电路闭环增益为无穷大,振荡器应该是一个含有足够强正反馈的放大电路，能够在直流电源作用下，在特定的频率上维持一定幅度的振荡波性输出。,4,电路起振条件分析： 在起振阶
2、段，正反馈的环路增益必须大于1，只有这样输出信号的幅度才有可能达到期望的数值。 如果期望输出的波形是正弦波，则大于1的环路增益会使输出信号在最大值处迅速饱和，从而产生波形的畸变。 必须采用增益控制单元使环路增益在振荡开始之后能够保持在大于1的水平；当输出达到期望值后，环路增益又必须减小到1，从而保证输出能够出保持这个幅值，振荡能够维持下去。,5,电路形成振荡的三个要素： 1 含有一个放大功能的单元电路，保证环路实现正反馈的幅度条件。这一要素要求电路中要有源器件和直流电源存在； 2 含有一个反馈网络，形成环路实现正反馈的拓扑结构。这一网络可以是有源的，也可以是无源的； 3 整个环路含有相移功能，
3、以达到在期望的频率上实现正反馈相位条件的目的。,6,三个条件： 1 环路相移：=n360，n=0，1，2， 2 起振时，环路增益：1 3 稳定工作时，环路增益：=1,7,通常，人们会有这样的疑问，如果振荡器未工作，无输出电压，反馈回路从哪里得到一个周期性信号，激发起一个正反馈的过程，形成一个振荡信号呢？ 这个问题可以这样解释，振荡器一旦接通电源，噪声会在电路中产生一个微小的正反馈电压。由于振荡器中必定包含电阻和其它电子器件。在高于0 K的任何温度下，这些电子器件都具有热噪声，这些噪声有很宽的频谱，即噪声频带一定包含能够引起正反馈的频率分量。反馈网络允许这一频率的振荡信号在环路中出现，最初的反馈
4、电压被放大并被持续地加强，直至建立起满足要求的输出振荡电压。由于在任何具有放大功能的电路中，噪声是必然存在的，通常不把它们列为需要强调的振荡条件。,8,非谐振回路型振荡器,由于形成振荡的首要条件是环路相移=n360，即形成正反馈 因此环路中必须包含一个网络，其功能是在确定的频率上产生所 需要的n360相移。实际的振荡器可以利用以下特性实现所需 的相移。 1.具有相移特性的网络可以是RC网络、RL网络和RLC网络,可以是传输线等与波动过程相关的分布电路结构 2 由BJT组成的共发放大器或由FET组成的共源放大器是反相放大器，可以形成正好180的相移； 3.载流子通过BJT基区或FET沟道会因迁移
5、速度而产生一个时间延迟，对应着特定频率分量的一个相移。,9,1.鉴于RLC网络本身具有谐振性质，由这类网络组成的振荡器具有特殊的结构和性能;称为谐振回路型振荡器 2.此节先介绍不含RLC网络的振荡器，它们包括环形振荡器、桥式振荡器和多谐振荡器，称为非谐振回路型振荡器。,非谐振回路型振荡器,10,环型振荡器,从电路结构上讲，该电路具有了振荡 电路的放大、反馈、相移三要素。但 由于共源组态放大器是反相放大器， 在纯电阻负载时，放大器产生180 的相移；这一移相了180的输出信 号作用于RC网络，将产生最大为90 的附加相移；由于直接反馈的连线不 产生相移，所以整个环路的最大相移 为270，不满足振
6、荡的相位条件。,环形振荡器通常是指在环路中会包含多级放大单元而形成的振荡电路。,11,环路增益只有一个极点，最多只能提供的相移，加上共源放大器提供的的相移（方程中的负号），环路的相移范围只能为180270，即达不到360的相移，因此，环路无法产生振荡。,环路增益为：,因此，只有电路包含两级以上的放大单元，相移才有可能达到360，产生振荡。,12,不能产生振荡的原因： 第二级反相放大的特性抵消了第一级反相放大器的180位移，因而不能得到360的位移而形成振荡。,式中有两个极点出现，整个环路相移最多也只能达到180，不能产生振荡。,13,上电路表现出直流正反馈的特性，这种正反馈只能将电路“锁定”在
7、某一个状态，而不能引起振荡。 VE上升VF下降VE上升，如此发展下去，直至管子M1截止，此时，VE将升高至电源电压VDD，而VF则降低到零，最终，这个状态将永远维持下去。,为了产生振荡，有必要进一步增大放大器级数，以满足相位条件的需要。,14,1）3级反相放大会引入180x3=540180的固定位移； 2）3级RC网络引入的环路相移最多可达270。 则一定存在一个频点，在该频点上，环路增益大于1，而总相移达到360。,15,因此只要三级放大器的低频增益等于2，则所示电路就会在0频率处产生谐振。,环路增益：,若总的相移为180，则每一级相移60，即,得,为实现振荡，在此频率上，三级放大器的增益最
8、少为1，即,=,16,fosc=1/(2Nd),fosc =1/(2N td),以上电路中，为了得到所需要的相移，每级反相放大单元都在输出端接了对地电容C。事实上，在很高的频率上，我们可以利用反相放大单元晶体管自身的延迟和输出端点上的寄生电容构成无外接电容元件的环形振荡器。,环形振荡器振荡频率fosc的计算公式：,N为级联数，为奇数。 d 为每一级 反相放大单元因晶体管自身时延和 输出端点上的寄生电容（包括下一 级反相放大单元的输入电容）引 起的合成时延,17,在数字逻辑电路设计中，人们必须知道各种逻辑门的时延。为了得到时延数据，人们通常设计出一个由N（N为奇数）级非门组成的环形振荡器，作为工
9、艺监测组合结构PM（Process Monitor）的单元之一。PM放在每一片晶圆的固定位置上。晶圆制作完成后，对PM的每一种结构进行测试，即可获得该晶圆的所有工艺监控参数。一级非门的时延d则通过测试环形振荡器的频率fosc之后通过根据左侧公式求出： d=1/(2Nfosc),18,RC桥式振荡器,RC桥式振荡器是一种应用最广泛的低频振荡器，其优点是波形好、振幅稳定、频率调节方便，工作频率范围可以从低于1Hz的超低频到MHz段的超高频。,其中的同相放大器可以用两级直接或 阻容耦合放大器实现。 由R1C1及R2C2组成的串并联选频网络，以便对某一频率实现正反馈从而产生自激振荡。,19,设,网络反
10、馈系数为：,其中,20,反馈系数幅频特性：,反馈系数相频特性：,21,当频率较低时，C1阻抗远大于R1，C2阻抗远大于R2，因此，R1和C2可以忽略，此时反馈电压 超前 ，相角 接近 ，而 近似为0；,22,当频率较高时，C1阻抗远小于R1，C2阻抗远小于R2，因此，C1和R2可以忽略，此时反馈电压 滞前 ，相角接近 ，而 也近似为0；,23,当 时，反馈电压的值最大，为输出电压的1/3，且二者同相。,24,电路中两个晶体管T1和T2组成两级阻容耦合放大器，故输入输出电压同相。 RC串并联选频网络连接在T1的输入端和T2的输出端。当 时，反馈电压与输出电压同相，满足振荡的相位条件。 由于反馈系
11、数只有1/3，故只要放大器电压增益大于3，就能满足起振条件，使振荡器产生自激振荡。,25,通常情况下，两级放大器的电压增益远远大于3。为了避免波形 失真，提高振荡幅度的稳定性，在电路中加入Rf和Re1两个电阻。,26,27,起振条件：,设两级放大器增益为A，则上式可以简化为,由此可见，加入Rf和Re1两个电阻后，RC桥式振荡器的起振条件仅取决于两电阻的比值，而与放大器的增益无关，因此，该振荡器具有很好的起振稳定性。,即,由于A通常会在100倍以上,故,28,多谐振荡器,在电子系统中，除正弦波信号之外，各种非正弦波信号也得到了广泛应 用。常用的非正弦波包括：矩形波、锯齿波、三角波等等。多谐振荡器
12、 是应用最广泛的矩形波发生器,29,多谐振荡器,由此可得,即,晶体管T1和T2应工作在饱和状态，T1管饱和时，,30,观察时间t1时刻开始，在t1时刻之前，T2饱和，T1截止，电容C2充电至接近电源电压VCC。电容C1两端电压约为0.7-0.3=0.4V。,31,在t1时刻，由于T1的VBE超过0.7V，故T1从截止变为饱和，由于电容C2上的电压不能突变，T2基极电压变为VCES-VCC0.3-VCC-VCC，T2从饱和变为截止。,电容C2开始放电，放电时间常数为Rb2C2。随着放电的持续，其上电压逐渐减小到零，然后在VCC作用下，开始反向充电。,t1时刻之后，由于T2截止，T1导通， 电源V
13、CC经RC2和T1对C1充电，充 电时间常数为RC2C1。,由于RC2Rb2，故C1充电远小于C2放电时间，故C1充电结束时，其上电压为VCC-VBESVCC。,32,在t2时刻，由于C2放电并反向充电后，VB2由负值升到0.7V，于是T2开始导通，ic2增大vc2下降ib1减小，T1开始脱离饱和区。此时，ic1减小vc1升高vc1T2基极的电流进一步增加vc2进一步减小，这种正反馈作用使T2很快达到饱和状态，而T1则很快截止,t2时刻之后，C2经T2、电源VCC和 RC1充电，；C1经T2、电源VCC 和Rb1放电并反向充电，,在t3时刻，T1基极电压Vb1从负值升到0.7V，T1导通，于是
14、又产生了反馈过程。经过很短的时间，T1饱和而T2截止。t3时刻之后，以上过程不断重复，从而产生矩形脉冲输出。,33,C2的初始电压为Vc2(0)=Vb2Vc1= VCC，稳态电压Vc2=Vb2Vc1= VCC，放电时间常数为Rb2C2。,同理可得T1截止的持续时间为，,振荡频率f为：,如果认为当 时Vb2=0，T2开始导通，则T1饱和，而 T2截止的持续时间为,集电极电压为对称的矩形脉冲。因对称矩形脉冲包含一系 奇数次谐波，故这类振荡器被称之为对称多谐振荡器。,34,LC调谐型振荡器,非谐振环路型振荡器：利用电阻电容作为相移元件。 优点：电阻电容都容易，实现且尺寸不大； 缺点：由于RC网络的幅
15、度和相位特性变化缓慢，振荡信号的相位噪声大。 因此，非谐振环路型振荡器通常应用在对振荡信号要求不高的场合。,35,射频通信电路需要具有高频率稳定度和低相位噪声的振荡信号作 为载波(carrier) 。人们通常需要更高性能的LC调谐型振荡器 （LC-tuned Oscillator）。 LC调谐型振荡器：利用LC串联或并联谐振回路作为有源器件的 负载和反馈网络构成的振荡器。 优点：由于高品质因数的LC谐振回路具有变化陡峭的幅度和相 位特性，所以LC调谐型振荡器产生的振荡信号的相位噪声具有 较好的相位噪声。,LC调谐型振荡器,36,电感三端式振荡器,电感三端式振荡器又称哈特莱(Hartley)振荡
16、器。由一只BJT构成的电感三端式振荡器的基本形式。其中，电感L1和L2一般是绕在同一个骨架上的线圈，其间存在互感，但也可以是互感为0的两个独立线圈。,37,为了简单起见，忽略偏置电路和一切损耗，且电源交流接地，得到电感三端式的等效电路图如下图。 有源器件BJT的集电极负载是由电感L1支路和C、 L2串联支路并联组成。 对于振荡频率来说，C、L2串联支路必须是容性的，否则就不能构成谐振回路。 此外，反馈网络由C和L2形成的分压电路组成。,38,放大器输出电压v0在谐振时与vi的相位差为180，在v0作用下，电感L1支路中的电流i1比v0落后90，而电容C支路中的电流i2比v0超前90，且i1=-i2，L2上的电压vf比i2超前90，图示结果说明，vf与vi同相，符合产生振荡的条件。,相位条件：,39,振荡频率,在谐振频率处，集电极负载的两条并联支路的电抗应该数值相等、符号相反。设电感之间的互感
