第9章 射频振荡器和混频器吉大通信PPT讲稿.ppt

第第9 9章章 射频振荡器和混频器吉大通射频振荡器和混频器吉大通信信第1页，共95页，编辑于2022年，星期一 振荡器是所有射频系统中最基本的部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。荡，成为所需的射频信号源。第2页，共95页，编辑于2022年，星期一 早期的振荡器在低频下使用，考毕兹早期的振荡器在低频下使用，考毕兹（Colpitts）、哈特莱（）、哈特莱（Hartley）等结构）等结构都可以构成低频振荡器，并可以使用晶体都可以构成低频振荡器，并可以使用晶体谐振器提高低频振荡器的频率稳定性。谐振器提高低频振荡器的频率稳定性。第3页，共95页，编辑于2022年，星期一 随着现代通信系统的出现，频率不断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。，这就需要有与之相适应的振荡器。第4页，共95页，编辑于2022年，星期一 在较高频率处可以使用工作于负阻状在较高频率处可以使用工作于负阻状态的二极管和晶体管，并利用腔体、传输态的二极管和晶体管，并利用腔体、传输线或介质谐振器等构成振荡器，用这种方线或介质谐振器等构成振荡器，用这种方法构成的振荡器可以产生高达法构成的振荡器可以产生高达100 GHz的的基频振荡。基频振荡。第5页，共95页，编辑于2022年，星期一 混频器是射频系统中用于频率变换的混频器是射频系统中用于频率变换的部件，具有广泛的应用领域，其可以将输部件，具有广泛的应用领域，其可以将输入信号的频率升高或降低，而不改变原信入信号的频率升高或降低，而不改变原信号的特性。号的特性。第6页，共95页，编辑于2022年，星期一 混频器的典型应用是在射频的接收系混频器的典型应用是在射频的接收系统中，它可以将较高频率的射频输入信号统中，它可以将较高频率的射频输入信号变换为频率较低的中频输出信号，以便更变换为频率较低的中频输出信号，以便更容易对信号进行后续的调整和处理。容易对信号进行后续的调整和处理。第7页，共95页，编辑于2022年，星期一 本章将讨论低频晶体管振荡器、微波本章将讨论低频晶体管振荡器、微波振荡器和混频器。振荡器和混频器。第8页，共95页，编辑于2022年，星期一 振荡器的基本模型振荡器的基本模型9.1微波振荡器微波振荡器9.2混频器混频器9.3第9页，共95页，编辑于2022年，星期一9.1 9.1 振荡器的基本模型振荡器的基本模型从最一般的意义上看，振荡器是一个从最一般的意义上看，振荡器是一个非线性电路，它将直流（非线性电路，它将直流（DC）功率转换为）功率转换为交流（交流（AC）波形。）波形。第10页，共95页，编辑于2022年，星期一 振荡器的核心是一个能够在特定频率振荡器的核心是一个能够在特定频率上实现正反馈的环路，图上实现正反馈的环路，图9.1示出了正弦振示出了正弦振荡器的基本工作原理。荡器的基本工作原理。第11页，共95页，编辑于2022年，星期一 图中，具有电压增益图中，具有电压增益A的放大器输出的放大器输出电压为电压为Vo()，这一输出电压通过传递函，这一输出电压通过传递函数为数为H()的反馈网络，加到电路的输入电的反馈网络，加到电路的输入电压压Vi()上，于是输出电压可以表示为上，于是输出电压可以表示为 第12页，共95页，编辑于2022年，星期一 用输入电压表示的输出电压为用输入电压表示的输出电压为 第13页，共95页，编辑于2022年，星期一 由于振荡器没有输入信号，若要得到由于振荡器没有输入信号，若要得到非零的输出电压，式（非零的输出电压，式（9.2）的分母必须为）的分母必须为0，这称为巴克豪森准则（，这称为巴克豪森准则（Barkhausen criterion）。振荡器由起振到稳态依赖于）。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，放不稳定电路，这与放大器的设计不同，放大器的设计要达到最大稳定性。大器的设计要达到最大稳定性。第14页，共95页，编辑于2022年，星期一 图图9.1 振荡器的基本结构框图振荡器的基本结构框图第15页，共95页，编辑于2022年，星期一 9.1.1 振荡电路的一般分析方振荡电路的一般分析方法法振荡电路有许多可能的形式，它们采振荡电路有许多可能的形式，它们采用双极结晶体管（用双极结晶体管（BJT）或场效应晶体管）或场效应晶体管(FET)，可以是共发射极，可以是共发射极/源极、共基极源极、共基极/栅栅极或共集电极极或共集电极/漏极结构，并可以采用多种漏极结构，并可以采用多种形式的反馈网络。形式的反馈网络。第16页，共95页，编辑于2022年，星期一 各种形式的反馈网络形成了考毕兹各种形式的反馈网络形成了考毕兹（Colpitts）、哈特莱（）、哈特莱（Hartley）等振荡）等振荡电路，图电路，图92所示的基本振荡电路可以代所示的基本振荡电路可以代表这些不同电路的一般形式。表这些不同电路的一般形式。第17页，共95页，编辑于2022年，星期一 图图9.2 晶体管振荡器的一般电路晶体管振荡器的一般电路第18页，共95页，编辑于2022年，星期一 9.1.2 使用双极结晶体管的共使用双极结晶体管的共发射极振荡电路发射极振荡电路若若X1和和X2为电容，为电容，X3为电感，就得到为电感，就得到了考毕兹（了考毕兹（Colpitts）振荡器；若）振荡器；若X1和和X2为为电感，电感，X3为电容，就得到了哈特莱为电容，就得到了哈特莱（Hartley）振荡器。）振荡器。第19页，共95页，编辑于2022年，星期一 1考毕兹（考毕兹（Colpitts）振荡器）振荡器 第20页，共95页，编辑于2022年，星期一 第21页，共95页，编辑于2022年，星期一 （a）考毕兹振荡器）考毕兹振荡器 （b）哈特莱振荡器）哈特莱振荡器图图9.3 共发射极双极结型晶体管振荡器共发射极双极结型晶体管振荡器第22页，共95页，编辑于2022年，星期一 第23页，共95页，编辑于2022年，星期一 第24页，共95页，编辑于2022年，星期一 必须强调以上的分析是基于相当理想必须强调以上的分析是基于相当理想的假设得到的，实际振荡器需要考虑一些的假设得到的，实际振荡器需要考虑一些其他因素，例如晶体管的输入导纳有虚部其他因素，例如晶体管的输入导纳有虚部而不是纯实数、晶体管特性随温度有变化、而不是纯实数、晶体管特性随温度有变化、电路有耦合、电感和电容有损耗等。为考电路有耦合、电感和电容有损耗等。为考虑上述诸多因素，可以借助计算机辅助设虑上述诸多因素，可以借助计算机辅助设计软件完成设计。计软件完成设计。第25页，共95页，编辑于2022年，星期一 9.1.3 使用场效应晶体管的共使用场效应晶体管的共栅极振荡电路栅极振荡电路共栅极场效应晶体管振荡电路，要求共栅极场效应晶体管振荡电路，要求式（式（9.4）中的）中的V1=0，同样用，同样用V3=V4给出反给出反馈路径。馈路径。第26页，共95页，编辑于2022年，星期一 另外，场效应晶体管的输入导纳可以另外，场效应晶体管的输入导纳可以忽略，近似取忽略，近似取Gi=0，但场效应晶体管的输，但场效应晶体管的输出导纳不能忽略，出导纳不能忽略，Go0。第27页，共95页，编辑于2022年，星期一 由以上条件，式（由以上条件，式（9.4）可以降为）可以降为2阶阶矩阵方程，变为矩阵方程，变为第28页，共95页，编辑于2022年，星期一 9.1.4 晶体振荡器晶体振荡器为了提高频率稳定性，常将石英晶体为了提高频率稳定性，常将石英晶体用于振荡电路中。石英晶体谐振器具有许用于振荡电路中。石英晶体谐振器具有许多优点，包括具有极高的品质因数（可以多优点，包括具有极高的品质因数（可以高达高达105）、良好的频率稳定性和良好的温）、良好的频率稳定性和良好的温度稳定性等，因而晶体控制振荡器得到广度稳定性等，因而晶体控制振荡器得到广泛采用。泛采用。第29页，共95页，编辑于2022年，星期一 但遗憾的是，石英晶体谐振器属于机但遗憾的是，石英晶体谐振器属于机械系统，其谐振频率一般不能超过械系统，其谐振频率一般不能超过250MHz。第30页，共95页，编辑于2022年，星期一 石英晶体谐振器由安装在石英晶体谐振器由安装在2个金属板个金属板之间的石英切片构成。石英晶体具有在电之间的石英切片构成。石英晶体具有在电场的作用下发生机械形变的压电效应，通场的作用下发生机械形变的压电效应，通过压电效应可以在晶体中激励机械振荡，过压电效应可以在晶体中激励机械振荡，根据晶体的几何形状和切割方向，石英会根据晶体的几何形状和切割方向，石英会具有不同的纵向或切向谐振频率。具有不同的纵向或切向谐振频率。第31页，共95页，编辑于2022年，星期一 （a）晶体的等效电路）晶体的等效电路 （b）晶体谐振器的输入电抗）晶体谐振器的输入电抗图图9.4 石英晶体的等效电路石英晶体的等效电路第32页，共95页，编辑于2022年，星期一 图图9.5 皮尔斯晶体振荡器电路皮尔斯晶体振荡器电路第33页，共95页，编辑于2022年，星期一9.2 9.2 微波振荡器微波振荡器当工作频率接近当工作频率接近1GHz时，电压和时，电压和电流的波动特性不能忽略，需要采用传输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，因此需要讨论基线理论描述电路的特性，因此需要讨论基于反射系数和于反射系数和S参量的微波振荡器。参量的微波振荡器。第34页，共95页，编辑于2022年，星期一 微波振荡器的内部有一个有源固态器微波振荡器的内部有一个有源固态器件，该器件与无源网络配合，可以产生所件，该器件与无源网络配合，可以产生所需要的微波信号。由于振荡器是在无输入需要的微波信号。由于振荡器是在无输入信号的条件下产生振荡功率，因此具有负信号的条件下产生振荡功率，因此具有负阻效应。阻效应。第35页，共95页，编辑于2022年，星期一 若一个器件的端电压与流过该器件的若一个器件的端电压与流过该器件的电流之间相位相差电流之间相位相差180，该器件称为负阻，该器件称为负阻器件，微波三端口负阻器件包括双极结型器件，微波三端口负阻器件包括双极结型晶体管、场效应晶体管等，微波二端口负晶体管、场效应晶体管等，微波二端口负阻器件包括隧道二极管、雪崩渡越二极管阻器件包括隧道二极管、雪崩渡越二极管和耿氏二极管等。和耿氏二极管等。第36页，共95页，编辑于2022年，星期一 利用三端口负阻器件可以设计出微波利用三端口负阻器件可以设计出微波双端口振荡器，利用二端口负阻器件可以双端口振荡器，利用二端口负阻器件可以设计出微波单端口振荡器。设计出微波单端口振荡器。第37页，共95页，编辑于2022年，星期一 9.2.1 振荡条件振荡条件1.双端口振荡器振荡条件双端口振荡器振荡条件双端口振荡器如图双端口振荡器如图9.6所示，由晶体管、所示，由晶体管、振荡器调谐网络和终端网络三部分组成。振荡器调谐网络和终端网络三部分组成。第38页，共95页，编辑于2022年，星期一 图图9.6 双端口振荡器的框图双端口振荡器的框图第39页，共95页，编辑于2022年，星期一 若使图若使图9.6所示的双端口振荡器产生振所示的双端口振荡器产生振荡，需要满足荡，需要满足3个条件。个条件。第40页，共95页，编辑于2022年，星期一 条件条件1：存在不稳定有源器件：存在不稳定有源器件 （9.23a）条件条件2：振荡器左端满足：振荡器左端满足 （9.23b）条件条件3：振荡器右端满足：振荡器右端满足 （9.23c）第41页，共95页，编辑于2022年，星期一 振荡器的设计与放大器的设计有相似振荡器的设计与放大器的设计有相似之处。但放大器有输入信号，振荡器无输之处。但放大器有输入信号，振荡器无输入信号，这导致两者之间有差异。振荡器入信号，这导致两者之间有差异。振荡器与放大器的差异如下。与放大器的差异如下。第42页，共95页，编辑于2022年，星期一 （1）在放大器的情形，在放大器的情形，in1、out1。在振荡器的情形，振荡器调。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，谐网络和终端网络由无源网络构成，有有S1、T1、out1。第43页，共95页，编辑于2022年，星期一（2）在放大器的情形，稳定性因子在放大器的情形，稳定性因子k1。在振荡器的情形，稳定性因子。在振荡器的情形，稳定性因子k1 第60页，共95页，编辑于2022年，星期一 即即 Zin0 （9.35）由选定的反射系数值由选定的反射系数值T可以确定终可以确定终端网络。端网络。第61页，共95页，编辑于2022年，星期一 （4）此时电路可以视为单端口振荡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器，需要选择调谐网络的阻抗ZS，ZS=RS+jXS。由振荡器起振条件式。由振荡器起振条件式（9.32）可以得到）可以得到第62页，共95页，编辑于2022年，星期一 第63页，共95页，编辑于2022年，星期一 （5）如果输入或输出端口中的任何如果输入或输出端口中的任何一个端口符合振荡条件，则电路的端一个端口符合振荡条件，则电路的端口都将产生振荡。口都将产生振荡。第64页，共95页，编辑于2022年，星期一 2.设计举例设计举例 第65页，共95页，编辑于2022年，星期一 图图9.8 例例9.1用图用图第66页，共95页，编辑于2022年，星期一 图图9.9 例例9.2用图用图第67页，共95页，编辑于2022年，星期一 9.2.3 二极管振荡器二极管振荡器可以使用隧道二极管、雪崩渡越二极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管和耿氏二极管等负阻器件构建单端口振荡电路。荡电路。第68页，共95页，编辑于2022年，星期一 这些振荡电路的缺点是输出波形较差，这些振荡电路的缺点是输出波形较差，噪声也比较高，但使用这些二极管构建的噪声也比较高，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振荡信号，例如耿氏二极管可以用于制造工作频率在工作频率在110GHz的小功率振荡器。下的小功率振荡器。下面举例说明这类振荡电路的设计方法。面举例说明这类振荡电路的设计方法。第69页，共95页，编辑于2022年，星期一 图图9.10 例例9.3用图用图第70页，共95页，编辑于2022年，星期一 9.2.4 介质谐振器振荡器介质谐振器振荡器介质谐振器可以用陶瓷材料制作，这介质谐振器可以用陶瓷材料制作，这种材料具有极好的温度稳定度。由于这种种材料具有极好的温度稳定度。由于这种介质的相对介电常数在介质的相对介电常数在20100之间，明显之间，明显大于空气的相对介电常数大于空气的相对介电常数1，所以介质谐振，所以介质谐振器的体积在同频率下相对较小。器的体积在同频率下相对较小。第71页，共95页，编辑于2022年，星期一 但介质谐振器一般不用于但介质谐振器一般不用于500MHz以以下，因为当频率太低时它的尺寸太大。由下，因为当频率太低时它的尺寸太大。由BJT组成的介质振荡器，频率可以高达组成的介质振荡器，频率可以高达15GHz；由场效应管；由场效应管FET组成的介质振荡组成的介质振荡器，频率可以高达器，频率可以高达35GHz。第72页，共95页，编辑于2022年，星期一 介质谐振器通常放在微带线旁边，使介质谐振器通常放在微带线旁边，使它与振荡电路耦合，如图它与振荡电路耦合，如图9.11（a）所示，）所示，耦合强度取决于谐振器与微带线之间的间耦合强度取决于谐振器与微带线之间的间隔隔d。介质谐振器等效于。介质谐振器等效于RLC并联谐振电并联谐振电路，如图路，如图9.11（b）所示，这个并联谐振电）所示，这个并联谐振电路表现为微带线上的串联负载。路表现为微带线上的串联负载。第73页，共95页，编辑于2022年，星期一 （a）介质谐振器）介质谐振器 （b）等效电路）等效电路图图9.11 介质谐振器及等效电路介质谐振器及等效电路第74页，共95页，编辑于2022年，星期一 图图9.12 介质谐振器及等效电路介质谐振器及等效电路第75页，共95页，编辑于2022年，星期一 图图9.13 例例9.4用图用图第76页，共95页，编辑于2022年，星期一 第77页，共95页，编辑于2022年，星期一9.3 9.3 混混 频频 器器混频器是一种频率转换器，可以将输混频器是一种频率转换器，可以将输入信号的频率升高（称为上变频）或降低入信号的频率升高（称为上变频）或降低（称为下变频），同时又能完好保留原信（称为下变频），同时又能完好保留原信号的特性。号的特性。第78页，共95页，编辑于2022年，星期一 混频器是一个三端口器件，其中混频器是一个三端口器件，其中2个个端口输入，一个端口输出。混频器采用非端口输入，一个端口输出。混频器采用非线性或时变参量元件，它可以将线性或时变参量元件，它可以将2个不同频个不同频率的输入信号变为一系列不同频率的输出率的输入信号变为一系列不同频率的输出信号，输出频率分别为信号，输出频率分别为2个输入频率的和频、个输入频率的和频、差频及谐波。差频及谐波。第79页，共95页，编辑于2022年，星期一 实际混频器通常是以二极管或晶体管实际混频器通常是以二极管或晶体管的非线性为基础。非线性元件能产生众多的非线性为基础。非线性元件能产生众多的其他频率分量，然后通过滤波选取所需的其他频率分量，然后通过滤波选取所需的频率分量，在混频器中希望得到的是和的频率分量，在混频器中希望得到的是和频或差频。本节首先讨论混频器的特性；频或差频。本节首先讨论混频器的特性；然后讨论用二极管实现下变频系统。然后讨论用二极管实现下变频系统。第80页，共95页，编辑于2022年，星期一 9.3.1 混频器的特性混频器的特性第81页，共95页，编辑于2022年，星期一 （a）上变频）上变频 （b）下变频）下变频图图9.15 混频器的符号和功能混频器的符号和功能第82页，共95页，编辑于2022年，星期一 1.上变频上变频 混频器符号的意思是输出与混频器符号的意思是输出与2个输入个输入信号的乘积成比例。这里将会看到这是混信号的乘积成比例。这里将会看到这是混频器工作的理想化观点，实际混频器会产频器工作的理想化观点，实际混频器会产生大量输入信号的各种谐波。生大量输入信号的各种谐波。第83页，共95页，编辑于2022年，星期一 对于上变频过程，本振对于上变频过程，本振LO信号连接信号连接混频器的一个输入端口，其可以表示为混频器的一个输入端口，其可以表示为（9.42）第84页，共95页，编辑于2022年，星期一 中频中频IF信号连接混频器的另一个输入信号连接混频器的另一个输入端口，其可以表示为端口，其可以表示为（9.43）第85页，共95页，编辑于2022年，星期一 （a）上变频）上变频 （b）下变频）下变频图图9.16 理想上变频和下变频的频谱理想上变频和下变频的频谱第86页，共95页，编辑于2022年，星期一 2.下变频下变频 对于下变频过程，与用在接收机中的对于下变频过程，与用在接收机中的一样，一样，RF信号为输入信号，其形式为信号为输入信号，其形式为（9.47）第87页，共95页，编辑于2022年，星期一 上面是对理想混频器的讨论，输出信上面是对理想混频器的讨论，输出信号的频率仅为号的频率仅为2个输入信号的和频和差频。个输入信号的和频和差频。实际混频器是由二极管或晶体管构成的，实际混频器是由二极管或晶体管构成的，由于二极管或晶体管的非线性，输出会有由于二极管或晶体管的非线性，输出会有众多的其他频率分量，需要用滤波器选取众多的其他频率分量，需要用滤波器选取所需的频率分量。所需的频率分量。第88页，共95页，编辑于2022年，星期一 3.变频损耗变频损耗 混频器的变频损耗定义为可用混频器的变频损耗定义为可用RF输入输入功率与可用功率与可用IF输出功率之比，用输出功率之比，用dB表示为表示为（9.52）第89页，共95页，编辑于2022年，星期一 9.3.2 单端二极管混频器单端二极管混频器 仅用一个二极管产生所需仅用一个二极管产生所需IF信号的混信号的混频器称为单端二极管混频器。频器称为单端二极管混频器。第90页，共95页，编辑于2022年，星期一 图图9.17 单端二极管混频器的一般框图单端二极管混频器的一般框图第91页，共95页，编辑于2022年，星期一 图图9.18 混频器的混频器的AC等效电路等效电路第92页，共95页，编辑于2022年，星期一 9.3.3 单平衡混频器单平衡混频器 前面讨论的单端二极管混频器虽然容前面讨论的单端二极管混频器虽然容易实现，但在宽带应用中不易保持输入匹易实现，但在宽带应用中不易保持输入匹配及本振信号与射频信号之间相互隔离，配及本振信号与射频信号之间相互隔离，为此提出单平衡混频器。为此提出单平衡混频器。第93页，共95页，编辑于2022年，星期一 图图9.19示出单平衡混频器的构成，示出单平衡混频器的构成，2个个单端混频器与一个单端混频器与一个3 dB耦合器可以组成单耦合器可以组成单平衡混频器，为简单起见，图中省略了对平衡混频器，为简单起见，图中省略了对二极管的偏置电路。二极管的偏置电路。第94页，共95页，编辑于2022年，星期一 图图9.19 单平衡混频器单平衡混频器第95页，共95页，编辑于2022年，星期一