第17章振荡器.ppt

1、2020/7/7，1，振荡器，张一蒙，西安电子科技大学微电子研究所，2020/7/7，2，(1)定义：振荡器是一种无需外部信号激励就能自动将直流电能转换成周期性交流电的装置。(2)分类：根据振荡波形分类：振荡器分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。输出波形接近理想正弦波的正弦波振荡器称为正弦波振荡器，波形为方波、矩形波或其他波形的非正弦波振荡器称为正弦波振荡器。根据振荡的机理，正弦振荡器也可分为反馈振荡器和负阻振荡器。根据选频网络，它分为RC振荡器、LC振荡器、晶体振荡器、压控振荡器、压控晶体振荡器等。随着集成技术的发展，集成振荡器和开关电容振荡器相继出现。1.振荡器概述，2020/7/7，3。(

2、3)应用：无线电发射机用它来产生负载信息的载波信号。超外差接收机用它来产生本机振荡信号。各种电子测量设备和计时仪器都用它来产生频率(或时间)参考信号，高频电加热设备广泛应用于工业生产部门。(4)基本组成：由储能元件组成的频率选择网络，决定振荡频率。一种在特定频段具有能量转换(或放大)功能的换能机制。(有源器件放大器)，一种反馈电路，有助于补充元件的能量损耗，确保振荡器的稳定运行。一种可以自动调节振荡强度的非线性元件。事实上，在晶体管正弦振荡器中，晶体管不仅起着能量转换的作用，而且还起着调节和控制振荡强度的非线性作用。振荡器概述，2020/7/7，4，振荡条件，相位判据：T()=360，2020

3、/7/7，5，振荡器的稳定条件，实际振荡器：振荡频率(振荡周期)和振荡幅度必须稳定，当振荡器稳定工作(达到平衡状态)时，需要满足幅度稳定条件和相位稳定条件。环路增益|T()|应大于1(振荡器的起始条)，以确保振荡器能将轻微噪声放大为稳定的周期性输出信号。考虑到温度和过程的变化，振荡频率下的环路增益设计为必要值的23倍。当环路中的信号幅度增加到一定程度时，振荡器中有源器件存在的非线性将限制幅度的连续增加，使振荡器的输出稳定，这是一个非线性过程。为了使满足巴克豪森准则的反馈系统成为一个实用的振荡器，反馈系统必须包含一些频率选择函数，使振荡器只能以我们需要的频率振荡LC谐振电路；反馈网络采用LC谐振

4、电路环形振荡器，使得反馈系统的环路传递函数在一个频率点上只满足巴克豪森准则，即2020年7月6日的幅值稳定条件，其关键是在平衡点附近，环路增益幅值随幅值呈负斜率变化。有源器件的非线性可以稳定振荡幅度。当振幅平衡条件被破坏时，振荡器本身可以重新建立振幅平衡点的条件。如果可以建立，振荡器仍然可以保持稳定的振荡。2020年7月7日，软自激和硬自激，软自激：不需要外部激励。自激取决于振荡器内部电路的噪声(振幅平衡点)，硬自激：需要额外的冲击信号来开始振荡的现象(两个振幅平衡点，其中一个是不稳定的平衡点)，自动振幅控制技术，2020/7/7，8，相位稳定条件，2020/7/7，9，第二，负阻振荡器LC谐

5、振，液晶谐振，理想振荡器的输出是标准正弦信号，电流信号滞后电压相位90，2020/7/7，11，液晶振荡器，2020/7/7，12，实际设计问题，2020/7/7，13，实际设计问题，2020/7/7，14，实际设计问题，2020/7/7，15，实际设计问题，2020/7/7，16，负电阻设计，2020/7正反馈可以形成负阻，2020/7/7，18，负阻振荡器的基本原理。为了产生振荡，负电阻Rn的电阻值必须小于或等于LRC回路的等效并联阻抗RP。当它们的电阻值相等时，电路产生等幅振荡信号，能量在电感和电容之间转换，而环路损耗消耗的能量由负电阻提供。当电阻Rn小于RP时，负电阻提供的能量大于LR

6、C环消耗的能量，振荡信号的幅度逐渐增大。当有源器件(电路)实现负阻时，有源器件(电路)固有的非线性将限制振荡信号的幅度不受限制地增长，最终振荡信号将稳定在某个固定的振荡幅度。2020/7/7，19，液晶振荡电路的实现，振荡频率的振荡条件类型：负阻液晶振荡器，反馈液晶振荡器，2020/7/7，20，实液晶振荡器，2020/7/7，21，常用负阻振荡器电路，2020/7/7，22，3。反馈液晶振荡器，振荡原理：有源器件提供正负振荡要求典型电路结构：2020/7/7/23，有源器件提供振荡所需的正反馈，而谐振电路提供频率选择功能。它们之间的唯一区别在于，在谐振电路的构造模式下，反馈液晶振荡器中只有一

7、个有源器件，因此它们可以产生非常高的振荡频率，并且具有优异的噪声性能。有源器件的跨导要求更高。引起较大功耗晶体管也可以采用公共源极结构或公共漏极结构，在这种情况下，反馈信号从晶体管的漏极端反馈到晶体管的栅极，或者从源极反馈到晶体管的栅极，2020/7/7，24，Colpitts振荡器，图中的阻抗Rp表示谐振电路的损耗，且电流源向晶体管提供偏置电流，因此理想的输出是正弦波，因为使用LC谐振电路来选择振荡频率。输出除以C1得到V1，被反馈到晶体管的源极形成正反馈。闭环传递函数Vout/Iin通过分析方法获得，因此分母为零。2020/7/7/25，科尔皮茨振荡器，流过C1的电流因此是流过C2的电流，

8、并且通过在输出端应用KCL定律获得闭环传递函数。2020/7/7/26，分母为0的科尔皮茨振荡器得出，一般来说，振荡频率是晶体管的大信号跨导，当C1/C2=1时，可以通过该公式获得。达到最小值时，该公式是振荡器保持稳定振荡所应满足的条件，它决定了晶体管的大信号跨导值。晶体管的小信号跨导gm通常被设计为由上述公式确定的值的大约5倍。在确定了晶体管的小信号跨导之后，晶体管的尺寸和过驱动电压可以由偏置电流和金属氧化物半导体晶体管的电流-电压方程来确定。科尔皮茨振荡器设计步骤，1。根据振荡频率要求，得到C1、C2、Lp的参数值，这里最好选择C1=C2，因为此时晶体管的跨导要求最低，也就是功耗最低。2.

9、从无源器件的值估计阻抗Rp，并获得晶体管的大信号跨导Gm。考虑到设计裕度问题，选择晶体管的小信号跨导为=5Gm，然后根据偏置电流确定晶体管的尺寸和过驱动电压。当大信号正弦波输入到晶体管的源极时，3。将晶体管的大信号跨导引入前一个公式，得到科尔皮茨振荡器的振荡幅度为2020/7/7，29。4.晶体振荡器是一种压电材料，可以在机械应变和电荷之间进行转换。这种能量交换在一个特殊的频率上是最有效的，这个频率叫做共振频率fs。2020/7/7，30，晶体振荡器。从晶体的等效电路图可以看出，晶体既有串联谐振电路，也有并联谐振电路。串联谐振和并联谐振电路的阻抗和相位图如下：2020/7/7，31，在集成电路

10、中，c的值通常是变化的。使用容抗管：反向pn结、反向区金属氧化物半导体管和累积区金属氧化物半导体管。2020/7/7，34，压控振荡器，Pn结电容：特点：调谐范围小，但品质因数高，线性度高。2020/7/7/35，压控振荡器，反相区金属氧化物半导体：小品质因数和小可变电容范围。耗尽积累区的金属氧化物半导体容抗管：与反向pn结相比，电容变化范围较大，品质因数较小，线性度较差。2020/7/7，36，2020/7/7，37，以金属氧化物半导体容抗管为调谐元件的液晶压控振荡器，2020/7/7，38，6。环形振荡器广泛应用于单片集成电路中，可以用无电感的纯数字CMOS技术实现。振荡条件：奇数个逆变器。以三级环形振荡器为