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其他类型的振荡器

其他类型的振荡器

最后又增加了一些振荡器。它们不一定是晶体振荡器,而是其他类型的, 此外通常会有更多的晶体管。添加它们是为了表明前面讨论的原则仍然非常适用。

该振荡器再次使用LC槽来设置振荡频率,这些电感是平面螺旋电感,电容为二极管的电容,因此可以通过改变控制电压Vc来调谐它们,这就是为什么它们被称为压控振荡器 ( VCO, Voltage Control Oscillator ) 的原因;调谐范围必须足够大,以补偿电感的变化(20%)。例如,一个大约有三个绕组的电感,采用空心布局,长约 10 毫米, 其电感约为 10 nH。当二极管电容为1pF时,振荡频率约为1.6GHz。此外,对于线圈电阻RL为10Ω(Q=10),最小gmA约为1mS。对于0.5V的VGS−VT,这将需要0.25mA的晶体管电流。

很明显,GHz的范围很容易实现,然而频率越低或越高都是一个问题。这种VCO最重要的参数之一是相位噪声,这主要是晶体管和线圈串联电阻RL的热噪声,转换为振荡频率的边带 ( Sidebands )。由于电阻RL与跨导gmA相关,因此它是相位噪声表达式的主要参数,实际上表达式中的项4/3是由于晶体管的gm。相位噪声的经验法则是在距离载波100kHz处的−100dBc/Hz。在本例中,它大约是在100kHz处的−120dBc/Hz。

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图 1    压控振荡器

 

一个差分版的单晶体管皮尔斯振荡器的显示在下图,在低频时,电容C的阻抗太大,不会产生振荡;在高频时,它充当短路,并为晶体提供负阻抗。电阻必须足够高,以免抑制振荡;当由电流源替换时它们会更好。电流源 IB 设置最好由测量输出电压的 AGC 环路驱动, 否则电流可能设置得太高,导致频率偏差或失真较大。

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图 2    差分晶体振荡器

 

去掉晶体产生弛豫振荡器。 现在频率由电流 IB、电容 C 和限制电压设置,这里限制电压是双极晶体管的 VBE, 实际上它是 IB/(4CVBE)。 在输出端获得方波,但在时间设置电容 C 上获得三角波。

不用说,这个频率并不那么准确,而且非常依赖于温度。许多这样的弛豫振荡器已经设计出并发表,下图是早期的一个;它的主要优点是通过电流IB的可调性, 然而这个范围受到射随器晶体管基极电流的限制。用 MOST 源随器代替它们允许电流和频率范围超过 8 倍频程。

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图 3    弛豫振荡器

 

利用运放可以很容易地搭建一个低频振荡器,在下图中给出了一个例子。如果没有电容,我们就会有负反馈,没有振荡;然而在频率fc时,RC电路有了足够的相移,将负反馈转化为正反馈。如果在这个频率下,环路周围有足够的增益,满足了巴尔霍森条件, 于是振荡产生在约为1.7fc的频率下。图中没有显示任何振幅限制,在输出处要添加两个二极管,以限制输出摆幅。

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图 4    阻容振荡器,相移3x 60 = 180

 

带有运放的著名振荡器是维恩桥振荡器 ( Wien Bridge Oscillator ),如下图所示。 它由一个运算放大器和一个围绕反馈回路的串联和并联 RC 电路组成。 另外两个电阻 3R1 和 R1 确保电压增益约为 3

从环路增益的表达式可以清楚地看出,该电路将在频率fosc上振荡,1/3的衰减由3倍的电压增益来补偿,此外在这个频率下,环路周围的相移为零。同样没有增加振幅限制,可以在输出端再次添加两个二极管,以限制输出摆幅。

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图 5    维恩振荡器,需要三倍的增益

 

同样的维恩桥振荡器可以用来搭建一个压控晶体振荡器 ( Voltage Controlled Crystal

Oscillator )。显然这是相互矛盾的, 通常晶体振荡器用于高精度地固定频率;另一方面,VCO用于在 20-30% 范围内改变频率。然而有时,特别是为了时序的目的,我们要将晶体频率设置为一个与晶体频率本身略有不同的精确值。在此示例中,使用类似于晶体但Q因子较低的谐振器,将频率精确地设置为460,00 kHz。该谐振器只有457 kHz。我们如何解决这个问题?

谐振器是维恩电桥的一部分,因此解决方案是向谐振器添加一个并联电容以使其失谐。 与串联谐振相比,振荡显然更接近于并联谐振。 改变并联电容现在是一种稍微改变振荡频率的简单方法。

为了能够在两个方向上调整频率,我们必须能够添加一个电容 DC,它可以是正的和负的;此外,我们希望能够用电压或电流来控制这个电容值。

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图 6    压控晶体振荡器

 

如何实现通过电压或电流来改变的电容? 可以使用米勒效应,另一种选择是下图中的电路:将一个具有器件Rd和Cd的差分器插入到一个具有可变Gm块的反馈环路中。 输入导纳易于计算,它是电容Cd,乘以GmRd。在这个例子中,这个因素约为25,Cd为4pF,这允许约为100pF的电容变化 ΔC。如果Gm现在可以变成正和负,那么我们就有一个正和负的电容。电流 I2 将用于控制跨导 Gm 从正值、零值到负值。

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图 7    可变电容 +/-ΔC

 

为了实现从正值到负值的跨导Gm,我们使用了一个对称的运放,其中输入级增加了一倍。此外,这两个输入级是交叉耦合的。当两个输入对具有相同的偏置电流时,什么也不能输出,输出电流完全抵消。如果一个电流,例如通过 MI1 的电流 I1,大于通过 MI2 的 I2,则差分对 MT1/MT2 提供更大的输出电流 Io,该电流流入电路 ;另一方面,如果电流I2大于I1,则输出电流改变极性。因此我们可以通过允许 I2 相对于 I1 的变化来获得正负输出电流,如下图所示。

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图 8    Gm 模块产生可变电容 +/-ΔC

 

差分器产生一个差分。 它只不过是一个伪差分对,电阻 Rd 和电容 Cd 应用于该对。 根据给定的 Rd 和 Cd 值,时间常数达到约 160 ns,小于 348 ns 的振荡周期。 然而,运算放大器本身的时间常数不可忽略,而且电路图稍微复杂一些。

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图 9    RdCd 模块作为差分器

 

本章讨论振荡器的设计。 已经详细讨论了晶体振荡器,其次是 VCO 甚至维恩桥振荡器。 然而,它们都遵循巴克豪森标准,这是它们背后的主要理论。

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