振荡器Oscillators张艺蒙张艺蒙西安电子科技大学微电子学院zhangyimeng@2024/8/181 （（1）定义：）定义：振荡器是一种不需外加信号激励而能自动将直流能量变换为周期性交变能量的装置2）分类：）分类：§ 按振荡波形分类：按振荡波形分类：振荡器分为正弦波振荡器正弦波振荡器和非正弦波振和非正弦波振荡器荡器输出波形接近于理想正弦波的称为正弦波振荡器，波形为方波、矩形波或其它波形的称为非正弦波振荡器§ 按工作机理分类：按工作机理分类：根据产生振荡的机理，正弦振荡器还可分为反馈振荡器反馈振荡器和负阻振荡器和负阻振荡器§ 按选频网络分类：按选频网络分类：分为RC振荡器振荡器、LC振荡器振荡器、晶体振荡晶体振荡器器以及压控振荡器（以及压控振荡器（VCO）、压控晶体振荡器（）、压控晶体振荡器（VCXO））等等随着集成技术的发展，相继又出现了集成振荡器、开相继又出现了集成振荡器、开关电容振荡器关电容振荡器等一、振荡器概述一、振荡器概述2024/8/182 （（3）应用：）应用：§ 无线电发射机用它产生载荷信息的载波信号载波信号§ 超外差接收机用它产生本地振荡信号本地振荡信号§ 各种电子测量设备和计时仪表用它产生频率（或时间）基准信号基准信号§ 工业生产部门广泛应用的高频电加热设备高频电加热设备等。
4）基本构成：）基本构成：§ 一个由储能元件构成的决定振荡频率的选频网络选频网络§ 一个在规定频段内具有能量变换（或放大）作用的换能作用的换能机构有源器件机构有源器件--放大器）放大器）§ 一个有助于补充元器件能量损耗和保证振荡器工作稳定的反馈电路反馈电路§ 一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件非线性元件事实上，在晶体管正弦振荡器中，晶体管既起着能量变换能量变换的作用的作用，又起着调整和控制振荡强度的非线性作用非线性作用振荡器概述振荡器概述2024/8/183 振荡条件振荡条件相位判据相位判据 ：：∠∠T(ω) = 360°2024/8/184 振荡器的稳定条件u实用振荡器：振荡频率（振荡周期）和振荡幅度必须稳定，实用振荡器：振荡频率（振荡周期）和振荡幅度必须稳定，振荡器在稳定工作时（达到平衡状态），需要满足振幅稳定性振荡器在稳定工作时（达到平衡状态），需要满足振幅稳定性条件和相位稳定性条件条件和相位稳定性条件u在振荡器的起振阶段，环路增益在振荡器的起振阶段，环路增益|T(ω)|要大于要大于1（振荡器的起振条）（振荡器的起振条），保证振荡器能将微小的噪声放大为稳定的周期性输出信号，保证振荡器能将微小的噪声放大为稳定的周期性输出信号üက 考虑到温度和工艺的变化，在振荡频率处的环路增益设计为必须值的考虑到温度和工艺的变化，在振荡频率处的环路增益设计为必须值的2～～3倍倍üက က 当环路中的信号振幅增加到一定程度后，振荡器中有源器件存在的非线性会当环路中的信号振幅增加到一定程度后，振荡器中有源器件存在的非线性会限制振幅的继续增加，使得振荡器的输出达到稳定，这是一个非线性过程限制振幅的继续增加，使得振荡器的输出达到稳定，这是一个非线性过程u要使满足要使满足Barkhausen判据的反馈系统成为一个实用的振荡器，判据的反馈系统成为一个实用的振荡器，反馈系统必须包含有某种频率选择功能，使得该振荡器仅在我们反馈系统必须包含有某种频率选择功能，使得该振荡器仅在我们所需要的频率处振荡所需要的频率处振荡üက LC谐振电路：反馈网络采用谐振电路：反馈网络采用LC谐振电路谐振电路üက က 环型振荡器：使得反馈系统的环路传输函数仅在一个频率点上满足环型振荡器：使得反馈系统的环路传输函数仅在一个频率点上满足Barkhausen判据判据2024/8/185 振幅稳定性条件•振幅稳定性条件的关键是在平衡点附件，环路增益振幅稳定性条件的关键是在平衡点附件，环路增益幅度随振幅的变化特性具有负的斜率幅度随振幅的变化特性具有负的斜率•有源器件的非线性具有稳定振荡幅度的作用有源器件的非线性具有稳定振荡幅度的作用•振幅平衡条件受到破坏时，振幅平衡条件受到破坏时，振荡器本身能重新建立起振幅振荡器本身能重新建立起振幅平衡点的条件，若能建立，则平衡点的条件，若能建立，则振荡器仍能保持稳定的振荡振荡器仍能保持稳定的振荡2024/8/186 软自激与硬自激l软自激：软自激：不需要外加激不需要外加激励，依靠振荡器内部电励，依靠振荡器内部电路的噪声便可自激（路的噪声便可自激（ 一一个振幅平衡点）个振幅平衡点）硬自激：硬自激：需要外加一个冲击信号需要外加一个冲击信号才能起振的现象（两个振幅平衡才能起振的现象（两个振幅平衡点，其一个为不稳定平衡点）点，其一个为不稳定平衡点）自动幅度控制技术自动幅度控制技术2024/8/187 相位稳定性条件2024/8/188 二、负阻振荡器 LC Resonance2024/8/189 LC Resonance理想振荡器的输出是标准的正弦信号，电流信号滞理想振荡器的输出是标准的正弦信号，电流信号滞后电压相位后电压相位90°2024/8/1810 LC Oscillators2024/8/1811 Practical Design Issues2024/8/1812 Practical Design Issues2024/8/1813 Practical Design Issues2024/8/1814 Practical Design Issues2024/8/1815 Negative Resistor Design2024/8/1816 负阻的概念负阻的概念 正电阻与负电阻都必须是对交流来说。
负电阻在直流特性正电阻与负电阻都必须是对交流来说负电阻在直流特性V/I永远为永远为正值，所以负电阻是将直流能量转化为交流能量正值，所以负电阻是将直流能量转化为交流能量 正反馈可以形成负阻正反馈可以形成负阻2024/8/1817 负阻振荡器的基本原理1.为了产生振荡，负阻为了产生振荡，负阻Rn的阻值必须小的阻值必须小于等于于等于LRC回路的等效并联阻抗回路的等效并联阻抗RP2. 当它们阻值相等时，电路产生等幅的当它们阻值相等时，电路产生等幅的振荡信号，能量在电感和电容之间互相振荡信号，能量在电感和电容之间互相转换，而回路损耗所消耗的能量由负阻转换，而回路损耗所消耗的能量由负阻提供3.当当Rn的阻值小于的阻值小于RP时，负阻提供的能时，负阻提供的能量大于量大于LRC回路消耗的能量，振荡信回路消耗的能量，振荡信号幅度逐渐增加号幅度逐渐增加4.当负阻由有源器件（电路）来实现时，当负阻由有源器件（电路）来实现时，有源器件（电路）本身固有的非线性会有源器件（电路）本身固有的非线性会限制振荡信号幅度不能无限制增长，最限制振荡信号幅度不能无限制增长，最终振荡信号会稳定在某一个固定的振荡终振荡信号会稳定在某一个固定的振荡幅度上幅度上2024/8/1818 LC振荡电路的实现振荡电路的实现振荡频率振荡频率振荡条件振荡条件类型：负阻型类型：负阻型LC振荡器、反馈型振荡器、反馈型LC振荡器振荡器2024/8/1819 Real LC Oscillators2024/8/1820 常用的负阻振荡器电路2024/8/1821 三、反馈型三、反馈型LC振荡器振荡器 振荡原理：有源器件提供振荡要求的正反馈，而谐振电路振荡原理：有源器件提供振荡要求的正反馈，而谐振电路提供频率选择功能。
提供频率选择功能 典型电路结构：典型电路结构：2024/8/1822 pက有源器件提供振荡要求的正反馈，而谐振电路提供频率选择功能，它有源器件提供振荡要求的正反馈，而谐振电路提供频率选择功能，它们之间的不同仅在于谐振电路的构成方式上们之间的不同仅在于谐振电路的构成方式上pက က 反馈型反馈型LC振荡器中仅有一个有源器件，因此它们可以产生很高的振荡振荡器中仅有一个有源器件，因此它们可以产生很高的振荡频率，并具有优良的噪声性能频率，并具有优良的噪声性能pက က 起振对有源器件的跨导要求要高很多，导致功耗很大起振对有源器件的跨导要求要高很多，导致功耗很大pက က 晶体管也可以采取共源结构或者共漏结构，这时反馈信号从晶体管漏晶体管也可以采取共源结构或者共漏结构，这时反馈信号从晶体管漏端反馈到晶体管栅极或者从晶体管源极反馈到晶体管栅极端反馈到晶体管栅极或者从晶体管源极反馈到晶体管栅极2024/8/1823 Colpitts振荡器振荡器 图中阻抗图中阻抗Rp代表谐振电路的损耗，电流源给晶体管提供偏置电流，代表谐振电路的损耗，电流源给晶体管提供偏置电流，由于采用由于采用LC谐振电路来选择振荡频率，因此理想输出是一个正弦波。
谐振电路来选择振荡频率，因此理想输出是一个正弦波输出经过输出经过C1分压得到分压得到V1反馈到晶体管源极形成正反馈反馈到晶体管源极形成正反馈 分析方法，求出闭环传递函数分析方法，求出闭环传递函数Vout / Iin，使分母为零使分母为零2024/8/1824 Colpitts振荡器振荡器流过流过C1的电流为的电流为因此因此流过流过C2的电流为的电流为在输出端应用在输出端应用KCL定律定律整理得到闭环传输函数整理得到闭环传输函数2024/8/1825 Colpitts振荡器振荡器令分母为0，得到一般情况下，解得振荡频率为解得振荡频率为晶体管大信号跨导为通过这个公式可以得到当C1/C2=1时， 达到最小值该该式是振荡器维持式是振荡器维持稳定振荡所应满稳定振荡所应满足的条件，决定足的条件，决定了晶体管的大信了晶体管的大信号跨导值号跨导值晶体管的小信号晶体管的小信号跨导跨导gm通常被设通常被设计为上式确定值计为上式确定值的的5倍左右倍左右在确定了晶体管在确定了晶体管的小信号跨导后，的小信号跨导后，由偏置电流和由偏置电流和MOS管的管的I-V方程方程就可以确定晶体就可以确定晶体管的尺寸和过驱管的尺寸和过驱动电压动电压2024/8/1826 2024/8/1827 Colpitts振荡器的设计步骤振荡器的设计步骤1. 根据振荡频率根据振荡频率 要求，求得要求，求得C1,C2,Lp的参数值，这里最好选取的参数值，这里最好选取C1=C2,因为这时晶体管的跨导要求最小，也就是最低的功耗。
因为这时晶体管的跨导要求最小，也就是最低的功耗2. 由无源器件的值，估算出阻抗由无源器件的值，估算出阻抗Rp，求出晶体管的大信号跨导，求出晶体管的大信号跨导Gm，考，考虑到设计余量问题，选取晶体管的小信号跨导虑到设计余量问题，选取晶体管的小信号跨导 =5Gm，然后根据偏，然后根据偏置电流确定晶体管的尺寸和过驱动电压置电流确定晶体管的尺寸和过驱动电压 当晶体管源极输入一个大信号正弦波当晶体管源极输入一个大信号正弦波3. 将晶体管大信号跨导带入前式，得到将晶体管大信号跨导带入前式，得到 由于由于 因此因此Colpitts振荡器的振荡幅度为振荡器的振荡幅度为2024/8/1828 四、晶体振荡器四、晶体振荡器 晶体是一种压电材料，可以在力学应变和电荷之间进行交易转换这晶体是一种压电材料，可以在力学应变和电荷之间进行交易转换这种能量交换在一特殊的频率上效率最高，该频率称为谐振频率种能量交换在一特殊的频率上效率最高，该频率称为谐振频率fs 2024/8/1829 晶体振荡器晶体振荡器从晶体的等效电路图中可以看到，晶体同时具有串联与并联谐振电路。
从晶体的等效电路图中可以看到，晶体同时具有串联与并联谐振电路串联谐振与并联谐振电路的阻抗及相位示意图如下串联谐振与并联谐振电路的阻抗及相位示意图如下2024/8/1830 晶体振荡器晶体振荡器写出晶体的阻抗表达式2024/8/1831 晶体振荡器晶体振荡器可以看出晶体在两个谐振频率中间表现为电感，用这个电感和一个具有容性的放大器（正反馈）组成振荡器2024/8/1832 五、压控振荡器五、压控振荡器 许多应用要求振荡器是可调谐的，即它们的振荡频率许多应用要求振荡器是可调谐的，即它们的振荡频率是一个控制是一个控制 输入信号的函数输入信号的函数 对于对于LC振荡器来说，谐振频率振荡器来说，谐振频率 频率调谐方法，改变频率调谐方法，改变L或者或者C集成电路中一般改变集成电路中一般改变C的值 使用容抗管：反向使用容抗管：反向pn结、反型区结、反型区MOS管和积累区管和积累区MOS管2024/8/1833 压控振荡器压控振荡器Pn结电容：特点：调谐范围较小，但具有较高的品质因子，线性度较高。
特点：调谐范围较小，但具有较高的品质因子，线性度较高2024/8/1834 压控振荡器压控振荡器反型区反型区MOS：品质因子较小，：品质因子较小， 电容可变范围较小电容可变范围较小耗尽耗尽-积累区积累区MOS容抗管：容抗管：电容可变范围较大电容可变范围较大相对与反向相对与反向pn结，品质因子较小，结，品质因子较小，线性度也较差线性度也较差2024/8/1835 2024/8/1836 MOS容抗管作调谐元件的LC电压控制振荡器2024/8/1837 六、环路振荡器六、环路振荡器 环形振荡器可以采用纯数字环形振荡器可以采用纯数字CMOS工艺实现，不需要电感，广泛使用在单工艺实现，不需要电感，广泛使用在单片集成电路中片集成电路中 振荡条件：奇数个反向器构成振荡条件：奇数个反向器构成 以三级环型振荡器为例：以三级环型振荡器为例： 每一级的传输函数为每一级的传输函数为 ，其中，其中 ，，3dB带宽带宽 则振荡器的环路增益为则振荡器的环路增益为2024/8/1838 环路振荡器环路振荡器为了产生振荡，每一级反相器引入的交流必须为为了产生振荡，每一级反相器引入的交流必须为60°，，在振荡频率处，环路增益幅度必须大于在振荡频率处，环路增益幅度必须大于1，，解的解的2024/8/1839 三级环型振荡器三级环型振荡器要求振荡频率100MHz设计步骤： 1.根据振荡频率确定每一级的3dB带宽为60MHz，由 ，初步确定R、C的值。
2.由 ，设定晶体管跨导值 3.根据偏置电流与跨导计算出晶体管的W,L2024/8/1840 三级环型振荡器三级环型振荡器2024/8/1841 。