射频电路理论与设计 第2版 教学课件 作者 黄玉兰 编著 第10章 振荡器的设计.ppt

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1、射频电路理论与设计（第2版）第10章振荡器的设计振荡器是所有射频系统中最基本的部件之一，它可以将直流功率转化成射频功率，在特定的频率点建立起稳定的正弦振荡，成为所需的射频信号源。早期的振荡器在低频下使用，随着现代通信系统的出现，频率不断升高，现代射频系统的载波常常超过1GHz，这就需要有与之相适应的振荡器。振荡电路的形成10.1微波振荡器10.2振荡电路的一般分析10.3振荡器的技术指标10.410.1振荡电路的形成10.1.1振荡器的基本模型从最一般的意义上看，振荡器是一个非线性电路，它将直流（DC）功率转换为交流（AC）波形。振荡器的核心是

2、一个能够在特定频率上实现正反馈的环路，图10.1示出了正弦振荡器的基本工作原理。图10.1振荡器的基本结构框图用输入电压表示的输出电压为由于振荡器没有输入信号，若要得到非零的输出电压，式（10.2）的分母必须为0，这称为巴克豪森准则（Barkhausencriterion）。10.1.2振荡器的有源器件振荡器的内部有一个有源固态器件，例如晶体管或隧道二极管等。由于振荡器是在无输入信号的条件下产生射频功率，因此其必须具有负阻效应。负阻器件是振荡器的有源器件。利用三端口负阻器件或二端口负阻器件都可以构成振荡器。需要注意的是，此时负阻器件工作于不稳定

3、区域。10.1.3振荡器与放大器的比较振荡器的设计与放大器的设计十分相似。振荡器与放大器的主要差别在于放大器需要输入一个射频信号，而振荡器无需输入信号。振荡器由起振到稳态依赖于不稳定电路，这与放大器的设计不同（1）放大器工作于稳定状态，振荡器依赖于不稳定电路。（2）放大器设计输入和输出匹配网络，振荡器设计调谐网络和终端网络。（3）放大器将输入信号放大，振荡器的起振由任意噪声或暂态信号触发。10.2微波振荡器当工作频率接近或大于1GHz时，电压和电流的波动特性不能忽略，需要采用传输线理论描述电路的特性，因此需要讨论基于反射系数和S参量的微波振荡器

4、。10.2.1振荡条件1.双端口振荡器振荡条件双端口振荡器如图所示，由晶体管、振荡器调谐网络和终端网络三部分组成。双端口的振荡器有稳态振荡的条件。若使双端口振荡器产生振荡，需要满足3个条件。条件1：存在不稳定有源器件条件2：振荡器左端满足条件3：振荡器右端满足振荡器与放大器的差异如下。（1）在放大器的情形，稳定性因子k>1。在振荡器的情形，稳定性因子k<1。（2）在放大器的情形，Γin<1、Γout<1。在振荡器的情形，振荡器调谐网络和终端网络由无源网络构成，有ΓS<1、ΓT<1，所以要求Γin>1、Γout>1。（3）在放大器的情形，希望器件

5、具有高度稳定性。在振荡器的情形，希望器件具有高度不稳定性。（4）在放大器的情形，有输入和输出匹配网络。在振荡器的情形，有振荡器调谐网络和终端网络。（5）振荡器的起振由任意噪声或暂态信号触发，但很快达到一个稳定的振荡状态。振荡器由起振到稳态需要一个非线性有源器件完成，对振荡器的全面分析十分复杂。2.单端口振荡器振荡条件单端口振荡器是双端口振荡器的特例。晶体管双端口网络配以适当的负载终端，可将其转换为单端口振荡器，微波二极管也可以构成单端口振荡器。单端口振荡器如图所示，图中Zin=Rin+jXin是有源器件的输入阻抗，ZS=RS+jXS是无源负载阻

6、抗。3.振荡器由起振到稳态振荡器在起振时，还要求整个电路在某一频率ω下出现不稳定，即应有即电路总电阻小于0，振荡器中将有对应频率下持续增长的电流I流过。4.稳定振荡条件当电流I增加时，Rin(I,ω)+RS应变为较小的负值，直到电流达到其稳态值I0。10.2.2晶体管振荡器晶体管振荡器实际是工作于不稳定区域的晶体管二端口网络。把有潜在不稳定的晶体管终端连接一个阻抗，选择阻抗的数值在不稳定区域驱动晶体管，就可以建立单端口负阻网络。1.晶体管振荡器的设计步骤晶体管振荡器的设计步骤如下。（1）选择一个在期望振荡频率处潜在不稳定的晶体管。（2）选择一个

7、合适的晶体管电路结构。为增强上述电路的不稳定性，还常常配以正反馈来增加其不稳定性。（3）在ΓT复平面上画出输出稳定判别圆，然后在不稳定区域中选择一个合适的反射系数值ΓT，使其在晶体管的输入端产生一个大的负阻，满足

8、Γin

9、>1（4）此时电路可以视为单端口振荡器，需要选择调谐网络的阻抗ZS，ZS=RS+jXS。（5）如果输入或输出端口中的任何一个端口符合振荡条件，则电路的端口都将产生振荡。2.设计举例例10.1用图例10.2用图10.2.3二极管振荡器可以使用隧道二极管、雪崩渡越二极管和耿氏二极管等负阻器件构建单端口振荡电路。这些振荡电路的缺点是

10、输出波形较差，噪声也比较高，但使用这些二极管构建的振荡电路可以方便地获得射频高端频段的振荡信号，例如耿氏二极管可以用于制造工作频率在1～100GHz的