电子系统RF与天线第四章new

第三章信号的产生—频率综合技术在现代电子通信系统中，稳定的重复波形信号（正弦波、非正弦波）是必不可少的。多种情况下，需要的频率还不止一个，且有一定的同步要求。因此，信号产生、信号同步、频率合成都是电子系统的基本组成部分，有时甚至成为通信系统的关键技术之一。本章主要介绍振荡器、锁相环及频率合成技术。3.1振荡器一、基本要求振荡定义为在两个状态或两个条件之间的周期变动。根据Barkhause准则，电路要想维持振荡，必须满足：（1）反馈环路的净增益必须大于或等于1（2）环路中信号的净相移必须是360°的正整数倍（正反馈）。3.1振荡器因此，实际的振荡器必须有以下组成部分：1.放大提供=1的正增益，故振荡器必为有源电路。2.正反馈必须要有将输出信号送回输入端的信号通路，且为正反馈，并满足相移条件。3.1振荡器3.频率决定条件决定振荡器工作频率的元件如：电阻、电容、电感、晶体等4.电源必须要有外加能源以确保增益=1震荡器必为有源电路！二、振荡器的基本数学模型加法器放大器反馈网络Vi+-V2V3βV4Ad24,iVVV3,1didAVVA32dVAV43,VV二、振荡器的基本数学模型31outdliidVVAAVVA在上式中，若对某个频率βAd=-1,Al→∞此时电路将发生振荡，而不需要外部输入信号。震荡器中放大的是什么？闭环电路增益三、振荡器的主要电性能指标1.工作频率（可调范围）2.频率稳定度（时域→阿伦方差频域→相位噪声）3.输出功率4.失真（主要是谐波）5.精度要求→用相对准确度来衡量工程上还有成本、体积、功耗、可靠性等要求。四、基本振荡器类型1.文氏电桥振荡器利用超前滞后网络作反馈支路的振荡器。+-R2C2R1C1RiRf=2RiA超前滞后网络1.文氏电桥振荡器反馈网络的转移特性曲线1212,RRCC012fRCf01/2βf四、基本振荡器类型2.Hartley振荡器（电感三端振荡器）121,LLLCC012fLCL1L2C1Hartley振荡器原理图2.Hartley振荡器Hartley振荡器电路图L1L2C1C3R2R1L∞C2Vcc隔直耦合四、基本振荡器类型注意：Hartley振荡器工作是否正常主要由电感抽头（L1，L2的比值）决定。反馈能量太小，不易振荡，反馈能量太大，晶体管要饱和，相位噪声要大幅增加。四、基本振荡器类型3.Copitts振荡器（电容三端）LC1C2Copitts振荡器原理图3.Copitts振荡器Copitts振荡器电路图LC1C3R2R1L∞C2Vcc01212111fLCCCC四、基本振荡器类型4.clapp振荡器（改进的copitts振荡器）clapp振荡器原理图（实际电路中常用）LC1(X2)C2(X3)C3X10123312121111,fLCCCCCCCC5.振荡器的低噪声设计5.振荡器的低噪声设计振荡器的设计目标之一就是低噪声，以clapp振荡器为例，理论分析表明，振荡器输出相位噪声为2024()12ssLLkTRNFfSfVQfNFQf噪声系数振荡回路有载品质因素付氏频偏5.振荡器的低噪声设计据上公式，从降低噪声的角度来看，关键是提高QL。实际设计时，除要求振荡回路元件空载品质因素尽可能高外，电路设计主要目标是减小放大器引入的损耗。具体就是应设计好直流偏置，让电路始终工作在线性放大区间，尤其不能出现饱和状态。若用单管放大器，则应尽量减小bc结跨导的影响。一般而言有：5.振荡器的低噪声设计2323231~1050~2003~10LXXXXXXX3230300,80,20,200LCXXXX例如：6.低频自激6.低频自激低噪声振荡器的特征之一是要接入一定数量的扼流圈以提供直流偏置（通路），从而可能引起低频自激。低频自激产生的主要原因是扼流圈的谐振频率不高。从而导致反馈支路电抗变性；改变振荡条件，引发寄生振荡。解决办法是近可能设计成支路电抗特性不受扼流圈的影响。基本振荡器相噪指标上述RLC振荡器的稳定度大致在10-3左右，相位噪声最好指标大约如下：(1)90/(100)140/()2()LKHzdBcHzLKHzdBcHzLfSf因此，单独应用时只能用于一般要求很低的场合。其它振荡器类型在GHz以上还有一些其它形式的振荡器。如微带振荡器，介质腔体振荡器，YIG振荡器，耿氏二极管振荡器等。它们的等效电路都和前面介绍的类似，只是利用的反馈方式或介质不同而已。五、晶体振荡器从前面我们知道，低噪声振荡器要求尽可能高的有载品质因素。这里高的空载品质因素是前提。以石英晶体为代表的压电晶体器件就具有这一条件。一般的电感Ql:20~80粗铜线绕制电感Ql:100~400石英晶体Ql:几~几十万五、晶体振荡器因此，设计良好的晶体振荡器具有频率稳定度高，相位噪声低的显著优点，是现代通信系统较好的基准源之一。可作晶振的晶体有多种，但以石英晶体为代表。下面，我们主要介绍已石英晶体为核心的振荡器1.石英晶体的切割1.石英晶体的切割石英晶体的压电特性是：当在晶格结构的一个方向上施加机械力时，在另一个方向它会产生电振动。反之亦然。这种振动也称为体声波（BAW），与施加电压的振幅成正比。石英晶体的特性与其切割方式有很大关系。常见切割方式与特性如下：1.石英晶体的切割AT800K~30MHz沿X轴切比沿Y轴切的温度特性好BTCT100~500KHzDTETGT500KHz温度特性最好MT50~100KHz高稳晶振都需要恒温NT50KHzJT1.石英晶体的切割xyz1.石英晶体的切割65.5/sfh晶体工作频率：目前有报道基波晶体频率可到600MHz当晶体振荡器要求较高频率时，可采用泛音晶体。现成的晶振，一般f30MHz都是用泛音晶振。Hzsf上式中：晶体固有谐振频率（）h---晶体切片厚度（英寸）2.晶体的等效特性2.晶体的等效特性LC1RC2上图中：L是等效电感（一般mH量级）C1为等效电容，R为等效电阻（101量级）C2为等效支架电容（5pF）2.晶体的等效特性由图可知石英晶体有两个谐振频率串联谐振频率:112sfLC并联谐振频率:2121111,()2fCCCLC2.晶体的等效特性石英晶体的电抗特性fsf2Xcf感性区域容性区域五、晶体振荡器3.晶体振荡器（1）分立Pierce电路（工作在感性区）C1C2C∞XTALout（1）分立Pierce晶振特点：1、短期稳定度好2、输出功率大3、但放大器增益要求高（70，故实际可能为多级放大器）（2）集成Pierce电路（2）集成Pierce电路（工作在感性区）C1C2RFoutRF的作用为保证处于放大器处于A类工作状态。上电路为大多数IC采用。自己搭建时也可用门电路代替放大器。（3）串联式晶振（3）串联式晶振利用前面介绍的LC振荡器及晶体的串联谐振特性构成晶振。C1C2C3L串联式clapp晶振原理图（3）串联式晶振实际电路C1C2C∞L8.2μH1KΩ100Ω45p10017~22p1.2μH300Ω10040MHz2K1K-12V100μ0.01μ8K10K30Ω91p0.01（3）串联式晶振外回路工作在晶体fs附近，在用40MHz晶体时实测得输出相位噪声(1)145/LKHzdBcHz调试时先用0.01μ100Ω代替晶体，将外振荡调到fs附近，再换接上晶体即可。（4）双晶体振荡器（4）双晶体振荡器有时为了得到更好的相位噪声特性，也采用了双晶体振荡器，即外振荡器也用晶体取代电感C1C2（5）高稳晶振（5）高稳晶振当前，作为电子系统频率或时间基准的高稳晶振，为了得到较高的技术指标，主要只有5MHz、10MHz、60MHz、100MHz等少数几个频点。系统所需的其它频点则需要通过频率合成而得到。而且，由于晶体的电参数会随温度而变化，高稳晶振通常都要采用恒温或温补措施。（5）高稳晶振高稳晶振目前能达到的最好相噪指标大致如下：(1)160/cdBLKHzdBcHz(100)175/cdBLKHzdBcHz注意：对于石英晶振，只要电路工作基本正常，至少应达到以下水平：HzdBcKHzLdBc/135)1(各种时基的对比品种时域稳定度（秒稳）一般晶振10-5~10-6温补晶振10-6~10-8恒温晶振10-7~10-9铷钟10-9~10-11铯钟10-11~10-13氢钟10-13以上注意：时基的可信频率准确度大约比稳定度低1~2个量级。六、压控振荡器电压控制震荡器(VCO)是现代频率合成器中的一个重要的基本组成部件，只有基于它，我们才能实现对信号频率的细微控制，从而完成AFC(AutomaticFrequenceControl)、锁相与频率合成。VCO的实质原理是振荡回路中电抗元件（主要是电容）随控制电压变化，从而改变输出频率。1.VCO的主要技术指标（1）尽可能低的相位噪声←质量指标1.VCO的主要技术指标VcVc高Vc低f低f高f（2）频率的相对覆盖（针对控制电压范围）1.VCO的主要技术指标5310~10ff低1%~100%ff低最好采用晶体压控振荡器VCXO采用LCVCO一般而言（3）压控频率特性曲线的非线性用非线性系数Kn表征,其定义如下：//cVCOncVCOdfdVKKKdfdV低低高高斜率之比1.VCO的主要技术指标对VCO来讲,其非线性应尽可能小。太大可能导致锁相环路参数急剧变化，从而引起不稳定。上式中:VCOffdfKdVVV低高C低C高称为压控灵敏度1.VCO的主要技术指标频率合成器中一般要求1112~41~42nnKK或Kn的大小取决于：a.变容管特性b.变容管接入方式c.Vc的变化范围（4）输出幅度平坦度应尽可能平稳（有助于谐波抑制）。2.变容管特性2.变容管特性目前绝大多数VCO都是利用晶体管PN结结电容随电压而变化的特性来改变振荡频率的。其变化规律如下：jncKCVV上式中：变容管等效电容jC2.变容管特性VcV变容管基本结偏压≈0.65VK变容管控制电压n比例常数→与PN结工艺相关变容指数对突变结型n=0.5超突变结型1~22.变容管特性国产变容管一般为突变结型（如2CB系列），容量8~150pF，使用时应反偏压。其等效图如下：Cjrs其品质因数012jjsQfCr2.变容管特性因为rs与f0无关，所以变容管品质有时又用优质因子来描述。012jjsQfCr国产变容管(2CB)优质因子约为：（5~100）×102MHz注意:变容管在应用中一定要有直流偏置通路.3.变容管的接入3.变容管的接入在振荡电路中变容管的接入，有下列三种方式(a)串联式(b)全接入(c)并联式CjC1LLLCjCjC23.变容管的接入（1）串联接入式显然1112jjfCCLCC从而可推得1ncncVVfKfVV低高低高3.变容管的接入相对覆盖上式中：111111nccjjVVXffXVVCCCCCC高j低低总低低高j低低j高＋＋111211222jfffXfCXfLfCfCXCXCC低j低高低j低总低低1低j低低j低总低低，＋3.变容管的接入（2）全电容接入式12ncncVVKVV低高21nccVVffVV高低低3.变容管的接入（3）并联式13ncncVVfKfVV高低低高221jCCffCC低低j高变容管的接入方式的比较4,16ccVVVVVV低高（4）三种方式的比较相对覆盖：显然全接入最大，串联接入时C1愈大愈接近全接入式，并联接入C2愈小愈接近全接入式。非线性（同样条件）比较变容管的接入方式的比较故串联接入最好。但随着相对覆盖要求的增大，串联Kn增大，并联Kn减小，都趋