第9章振荡器和混频器_黄玉兰

null 第9章 振荡器和混频器 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，考毕兹（Colpitts）、哈特莱（Hartley）等结构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。 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。 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100 GHz的基频振荡。 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，其可以将输入信号的频率升高或降低，而不改变原信号的特性。 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。 本章将讨论低频晶体管振荡器、微波振荡器和混频器。 9.1 振荡器的基本模型9.1 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。 振荡器的核心是一个能够在特定频率上实现正反馈的环路，图9.1示出了正弦振荡器的基本工作原理。 图中，具有电压增益A的放大器输出电压为Vo(ω)，这一输出电压通过传递函数为H(ω)的反馈网络，加到电路的输入电压Vi(ω)上，于是输出电压可以示为 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（9.2）的分母必须为0，这称为巴克豪森准则（Barkhausen criterion）。振荡器由起振到稳态依赖于不稳定电路，这与放大器的不同，放大器的设计要达到最大稳定性。 图9.1 振荡器的基本结构框图 9.1.1 振荡电路的一般分析方法 振荡电路有许多可能的形式，它们采用双极结晶体管（BJT）或场效应晶体管(FET)，可以是共发射极/源极、共基极/栅极或共集电极/漏极结构，并可以采用多种形式的反馈网络。 各种形式的反馈网络形成了考毕兹（Colpitts）、哈特莱（Hartley）等振荡电路，图92所示的基本振荡电路可以代表这些不同电路的一般形式。 图9.2 晶体管振荡器的一般电路 9.1.2 使用双极结晶体管的共发射极振荡电路 若X1和X2为电容，X3为电感，就得到了考毕兹（Colpitts）振荡器；若X1和X2为电感，X3为电容，就得到了哈特莱（Hartley）振荡器。 1．考毕兹（Colpitts）振荡器 （a）考毕兹振荡器 （b）哈特莱振荡器 图9.3 共发射极双极结型晶体管振荡器 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、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计软件完成设计。 9.1.3 使用场效应晶体管的共栅极振荡电路 共栅极场效应晶体管振荡电路，要求式（9.4）中的V1=0，同样用V3=V4给出反馈路径。 另外，场效应晶体管的输入导纳可以忽略，近似取Gi=0，但场效应晶体管的输出导纳不能忽略，Go≠0。 由以上条件，式（9.4）可以降为2阶矩阵方程，变为 9.1.4 晶体振荡器 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多优点，包括具有极高的品质因数（可以高达105）、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泛采用。 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250MHz。 石英晶体谐振器由安装在2个金属板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，石英会具有不同的纵向或切向谐振频率。 （a）晶体的等效电路 （b）晶体谐振器的输入电抗 图9.4 石英晶体的等效电路 图9.5 皮尔斯晶体振荡器电路9.2 微波振荡器9.2 微波振荡器 当工作频率接近1GHz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。 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，因此具有负阻效应。 若一个器件的端电压与流过该器件的电流之间相位相差180°，该器件称为负阻器件，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，微波二端口负阻器件包括隧道二极管、雪崩渡越二极管和耿氏二极管等。 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设计出微波单端口振荡器。 9.2.1 振荡条件 1. 双端口振荡器振荡条件 双端口振荡器如图9.6所示，由晶体管、振荡器调谐网络和终端网络三部分组成。 图9.6 双端口振荡器的框图 若使图9.6所示的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 （9.23a） 条件2：振荡器左端满足 （9.23b） 条件3：振荡器右端满足 （9.23c） 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。 （1） 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。 （2） 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。 （3） 在放大器的情形，希望器件具有高度稳定性。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，其中振荡器调谐网络决定振荡频率，终端网络将负载转换为振荡器所需的负载以确保振荡产生。 （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9.7所示，图中Zin=Rin+jXin是有源器件的输入阻抗，ZS=RS+jXS是无源负载阻抗。 图9.7 单端口振荡器电路 3. 稳定振荡条件 振荡器在起振时，仅有式（9.28）是不够的，还要求整个电路在某一频率ω下出现不稳定，即应有 只要式（9.32）满足，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。 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。此时 从而使振荡器在稳态下运行，稳定振荡的频率为ω0。 9.2.2 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。 在放大器的情形，希望器件具有高度的稳定性；对于振荡器，情况则恰恰相反，希望器件具有高度的不稳定性。 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） 选择一个合适的晶体管电路结构。 ●对于BJT，一般常采用共基或共射的组态。 ●对于FET，一般常采用共栅或共源的组态。 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 |Γin|>1 即 Zin<0 （9.35） 由选定的反射系数值ΓT可以确定终端网络。 （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。由振荡器起振条件式（9.32）可以得到 （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 图9.8 例9.1用图 图9.9 例9.2用图 9.2.3 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1～10GHz的小功率振荡器。下面举例说明这类振荡电路的设计方法。 图9.10 例9.3用图 9.2.4 介质谐振器振荡器 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。由于这种介质的相对介电常数在20～100之间，明显大于空气的相对介电常数1，所以介质谐振器的体积在同频率下相对较小。 但介质谐振器一般不用于500MHz以下，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15GHz；由场效应管FET组成的介质振荡器，频率可以高达35GHz。 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9.11（a）所示，耦合强度取决于谐振器与微带线之间的间隔d。介质谐振器等效于RLC并联谐振电路，如图9.11（b）所示，这个并联谐振电路表现为微带线上的串联负载。 （a）介质谐振器 （b）等效电路 图9.11 介质谐振器及等效电路 图9.12 介质谐振器及等效电路 图9.13 例9.4用图 9.3 混 频 器9.3 混 频 器 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（称为下变频），同时又能完好保留原信号的特性。 混频器是一个三端口器件，其中2个端口输入，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2个不同频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2个输入频率的和频、差频及谐波。 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。 9.3.1 混频器的特性 （a）上变频 （b）下变频 图9.15 混频器的符号和功能 1. 上变频 混频器符号的意思是输出与2个输入信号的乘积成比例。这里将会看到这是混频器工作的理想化观点，实际混频器会产生大量输入信号的各种谐波。 对于上变频过程，本振LO信号连接混频器的一个输入端口，其可以表示为 （9.42） 中频IF信号连接混频器的另一个输入端口，其可以表示为 （9.43） （a）上变频 （b）下变频 图9.16 理想上变频和下变频的频谱 2. 下变频 对于下变频过程，与用在接收机中的一样，RF信号为输入信号，其形式为 （9.47） 上面是对理想混频器的讨论，输出信号的频率仅为2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，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，需要用滤波器选取所需的频率分量。 3. 变频损耗 混频器的变频损耗定义为可用RF输入功率与可用IF输出功率之比，用dB表示为 （9.52） 9.3.2 单端二极管混频器 仅用一个二极管产生所需IF信号的混频器称为单端二极管混频器。 图9.17 单端二极管混频器的一般框图 图9.18 混频器的AC等效电路 9.3.3 单平衡混频器 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。 图9.19示出单平衡混频器的构成，2个单端混频器与一个3 dB耦合器可以组成单平衡混频器，为简单起见，图中省略了对二极管的偏置电路。 图9.19 单平衡混频器